CC BY
20УДК 691.535
М.А. АВДУШЕВА, инженер (m.avdusheva@yandex.ru), А.Л. НЕВЗОРОВ, д-р техн. наук (a.l.nevzorov@yandex.ru)
Северный (Арктический) федеральный университет им. М.В. Ломоносова (163002, г. Архангельск, наб. Северной Двины, 17)
Влияние магнетита на электропроводность растворной смеси
Представлены результаты исследований влияния добавки магнетита на электрическую проводимость растворной смеси и прочностные характеристики цементного раствора после твердения. Исследования выполнялись при включении в состав смеси порошка магнетита различной дисперсности. В качестве первой добавки применялись частицы магнетита размером менее 0,1 мм. Второй добавкой служил тонкодисперсный порошок с размером частиц 258±74 нм, полученный в результате измельчения магнетита на планетарной шаровой мельнице. Измерения электрической проводимости растворной смеси выполнялись при частоте тока от 25 Гц до 1 кГц. Введение в состав растворной смеси порошка магнетита в количестве от 1 до 20% от массы цемента увеличило ее электрическую проводимость, в частности при частоте тока 50 Гц на 8-70%, а при частоте 120 Гц - на 25-100%. Прирост предела прочности при изгибе у образцов с добавкой 3% порошка магнетита составил 18,5%, при сжатии - 30%. Введение такого же количества тонкодисперсного магнетита привело к повышению прочности на изгиб до 40%, а на сжатие - до 20%.
Ключевые слова: цементный раствор, магнетит, модифицирующие добавки, тонкодисперсный порошок, электропроводность.
Для цитирования: Авдушева М.А., Невзоров А.Л. Влияние магнетита на электропроводность растворной смеси // Строительные материалы. 2017. № 11. С. 55-58.
M.A. AVDUSHEVA, Engineer (m.avdusheva@yandex.ru), A.L. NEVZOROV, Doctor of Sciences (Engineering) (a.l.nevzorov@yandex.ru) Northern (Arctic) Federal University named after M.V. Lomonosov (17, Severnaya Dvina Embankment, Arkhangelsk, 163002, Russian Federation)
Influence of Magnetite on Electrical Conductivity of Mortar Mix
Results of the study of influence of a magnetite additive on the electric conductivity of mortar mix and strength characteristics of cement mortar after hardening are presented. The research was conducted when the magnetite powder of different dispersion was included in the mortar composition. Particles of magnetite of the size smaller that 0.1 mm were used as the first additive. The fine powder with the size of particles of 258±74 nm, obtained as a result of grinding the magnetite at the planetary ball mill, served as the second additive. Measuring the electrical conductivity of the mortar mix was carried out at the current frequency of 25 Hz - 1 kHz. Introduction of the magnetite powder in an amount of 1-20% of the cement mass in the composition of the mortar mix improves its electric conductivity, in particular, the current frequency of 50 Hz by 8-70%, at the current frequency of 120 Hz by 25-100%. The increase in the flexural strength of samples with addition of 3% of magnetite powder is 18.5%, when compressing - 30%. The introduction of the same amount of finely dispersed magnetite has led to increasing the flexural strength up to by 40%, compressive strength - up to by 20%.
Keywords: cement mortar, magnetite, modifying additives, finely dispersed powder, electric conductivity.
For citation: Avdusheva M.A., Nevzorov A.L. Influence of magnetite on electrical conductivity of mortar mix. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2017. No. 11, pp. 55-58. (In Russian).
Конструктивные элементы зданий и подземных сооружений, изготовленные из бетонов и цементных растворов с повышенной электропроводностью, могут выполнять дополнительные функции, например экрана от электромагнитных волн, нагревательного элемента, заземления, молнезащиты и т. п. [1]. При их изготовлении применяют порошки графита, стали, оксидов железа различной дисперсности [2, 3].
Растворные или бетонные смеси с заданной электропроводностью необходимы, например, в фундаменто-строении при устройстве буронабивных свай с ушире-ниями, изготовляемыми по разрядно-импульсной технологии, или для организации электропрогрева набирающих прочность монолитных подземных конструкций в вечномерзлом грунте [4].
Весьма перспективными, по мнению ряда авторов, являются бетоны с добавкой магнетита, в том числе в виде тонкодисперсных порошков. Так, в частности в конструкциях реакторов, они обеспечивают отвод тепла и защиту от излучения [5—7].
По данным различных исследований, добавка порошка магнетита приводит к повышению прочности цементных композитов или по крайней мере не снижает ее [7, 8]. По мнению Amin M.S. [9], находящиеся в составе бетонной смеси небольшие по размерам частицы магнетита становятся центрами гидратации цемента, что способствует быстрому схватыванию и твердению
смеси. В то же время чрезмерное количество указанной добавки может, напротив, привести к снижению прочности, так как кристаллогидраты цемента не смогут сформироваться ввиду ограниченности свободного пространства в матрице заполнителя.
По мнению авторов, растворная смесь, обладающая повышенной электрической проводимостью и достаточной прочностью, может быть применена при реконструкции фундаментов методом инъекционного закрепления, так как она способна обеспечить контроль качества выполняемых работ.
Целью проведенных исследований было изучение электропроводности растворной смеси с добавкой магнетита различной дисперсности и оценка прочности получаемого раствора.
Для экспериментов использовался магнетит компании ООО «Баштальк», добываемый на Кирябинском месторождении в Башкирии. Зерновой состав исходного материала, полученный по данным завода-изготовителя, был подтвержден ситовым анализом по методике ГОСТ 8735-88.
Применялись две добавки к растворной смеси. В качестве первой использовался порошок магнетита после отсеивания частиц крупнее 0,1 мм. Второй добавкой служил тонкодисперсный магнетит, полученный измельчением сырья на планетарной шаровой мельнице РМ-100 (Retsch). Продолжительность сухого помола составляла
j t. ®
ноябрь 2017
55
0
10
20
30
<£ 40
X
g 50
ср
Ч" 60
<>
и 70
80
90
100
у ____—-—-—
Граница отсеивания d>0,1 мм
i /
/
J
/
/ 1-
0,045 0,056 0,09 0,14
Размер частиц, мм Рис. 1. Зерновой состав исходного порошка магнетита
0,315
100
-75
50
25 %
0
13,7 188,5 2588,2
Диаметр, нм
Рис. 2. Фракционное распределение частиц диспергированного магнетита
Таблица 1
Удельная электрическая проводимость образцов растворной смеси с добавкой порошка магнетита
Частота f, Гц ст, См/м, при содержании добавки, %
0 1 3 5 10 20
25 0,03 0,032 0,034 0,038 0,04 0,044
50 0,022 0,024 0,025 0,029 0,033 0,038
60 0,022 0,025 0,026 0,031 0,034 0,039
100 0,034 0,039 0,041 0,046 0,059 0,063
120 0,038 0,048 0,049 0,056 0,071 0,076
200 0,062 0,079 0,082 0,093 0,117 0,121
500 0,132 0,16 0,174 0,191 0,208 0,209
1000 0,196 0,219 0,245 0,255 0,258 0,258
Таблица 2
Удельная электрическая проводимость образцов растворной смеси с тонкодисперсной добавкой магнетита
Частота f , Гц ст, См/м, при содержании добавки, %
1 3 5 10 20
25 0,032 0,033 0,035 0,037 0,037
50 0,026 0,029 0,031 0,033 0,033
60 0,028 0,031 0,032 0,034 0,034
100 0,048 0,051 0,053 0,056 0,058
120 0,059 0,061 0,064 0,067 0,070
200 0,095 0,097 0,103 0,109 0,116
500 0,170 0,183 0,188 0,195 0,212
1000 0,213 0,237 0,244 0,254 0,264
60 мин при скорости вращения стакана 420 об/мин с использованием 20 стальных размольных тел. Размеры частиц второй добавки определялись методом фотонно-корреляционной спектроскопии на анализаторе субмикронных частиц Delsa Nano. Для измерения использовалась суспензия на основе глицерина.
Заполнителем в растворной смеси служил песок, содержание пылеватых и глинистых частиц, а также модуль крупности которого определялись по методикам ГОСТ 8735-88.
Готовились две серии образцов с первой и второй добавками магнетита в количестве 1, 3, 5, 10 и 20% от массы вяжущего.
Электрическая проводимость растворной смеси определялась на приборе-измерителе иммитанса Е7-20 в электрическом поле на частотах от 25 Гц до 1 кГц. Смесь загружалась в ячейку размерами 50x50 мм при средней высоте около 3—3,5 мм.
Удельная электрическая проводимость вычислялась по формуле:
£ ,
где ст — удельная электрическая проводимость, См/м; G и G0 — проводимость заполненной и пустой ячеек соот-
Таблица 3
Таблица 4
Предел прочности при изгибе
Масса добавки, % от массы цемента Предел прочности при изгибе, МПа, при добавке
порошка магнетита тонкодисперсного магнетита
0 5,13
1 5,13 7,02
3 6,08 6,41
5 6,62 6,28
10 6,8 6,36
20 6,61 6,33
Предел прочности при сжатии
Масса добавки, % Предел прочности при сжатии, МПа, при добавке
от массы цемента порошка магнетита тонкодисперсного магнетита
0 37,15
1 41,57 44,41
3 48,74 42,68
5 42,85 41,75
10 41,99 35,19
20 42,14 33,93
ветственно; ^ — площадь электродов, 25 см2; d — расстояние между обкладками ячейки, 3—3,5 мм.
Для контроля прочности раствора готовились образ-цы-балочки размерами 40x40x160 мм, которые в возрасте 24 ч распалубливались и в дальнейшем хранились при температуре 20±2оС и относительной влажности 60±10%. По истечении 28 сут с момента затворения определялась прочность образцов методами разрушающего контроля согласно ГОСТ 310.4—81.
Результаты ситового анализа исходного порошка магнетита представлены на рис. 1.
Фракционное распределение частиц магнетита, полученных в результате измельчения на планетарной шаровой мельнице, представлено на рис. 2. Средний размер частиц составил 258±74 нм.
По данным анализа было установлено, что песок является мелким с модулем крупности Мк=1,07, при этом содержание пылеватых и глинистых частиц составляет 1,8%. Кривая гранулометрического состава песка представлена на рис. 3.
В качестве вяжущего применялся нормальнотверде-ющий портландцемент марки ЦЕМ1-42,5Н. Затворение растворной смеси выполнялось дистиллированной водой. Соотношение компонентов в смеси, мас. %: цемент:песок:вода — 1:2:0,5.
Для оценки влияния добавок на электрическую проводимость растворной смеси в первую очередь были произведены измерения показателей у образца без включения магнетита.
В табл. 1 и 2 представлены средние значения удельной электрической проводимости образцов растворной смеси в зависимости от частоты электрического тока и содержания добавки, полученные по данным трех измерений.
Полученные результаты показали, что при изменении частоты электрического тока с 25 до 50 Гц электрическая проводимость растворных смесей различного состава незначительно снижается, а затем — вплоть до частоты 1 кГц — устойчиво растет до значений, в семь раз превышающих минимальные.
Введение порошка магнетита в растворную смесь в количестве 1—20% от массы цемента приводит к увеличению электрической проводимости при частоте 50 Гц на 8—70%. Максимальное увеличение при частоте 120 Гц — на 25—100%.
При использовании второй добавки электропроводность смеси нарастала более интенсивно. Так, например, при частоте 50 Гц эффект от добавки 3% был примерно таким же, как при введении 5% порошка магнетита, — 31%, при 10% содержании эффект от обеих добавок был одинаковым, а при 20% первая добавка оказалась эффективнее. Примерно такая же тенденция наблюдалась и при других частотах электрического тока.
Размер частиц, мм Рис. 3. Зерновой состав песка
Результаты испытаний прочности образцов-балочек в табл. 3, 4.
Приведенные в табл. 3 и 4 значения являются средними, найденными по данным испытаний шести образцов каждого состава.
Результаты испытаний показали, что включение в состав цементного раствора порошка магнетита привело к росту его прочностных характеристик. Так, прирост предела прочности при изгибе у образца с добавкой 3% составил 18,5%, а с добавкой 10% — 35%. Предел прочности при сжатии достиг максимального значения уже при 3% добавки и составил 48,74 МПа, что больше первоначального на 30%. В остальных случаях прирост колебался в пределах 10—15%.
Введение тонкодисперсного магнетита также привело к повышению прочностных показателей раствора при количестве добавки 1—3% от массы цемента. При этом прочность при изгибе возросла до 40%, а при сжатии — до 20%. В остальных случаях предел прочности при изгибе увеличивался в среднем на 20%, а прочность при сжатии при большем количестве добавки магнетита стала меньше прочности исходных образцов.
Стоит отметить, что результаты прочностных испытаний опытных образцов соответствуют описанным в литературных источниках. При содержании добавки в количестве 1—3% от массы цемента наблюдаются более высокие значения прочности при сжатии; при увеличении содержания магнетита они снижаются, что объясняется появлением слишком большого количества центров гидратации.
jj. ®
ноябрь 2017
57
На основании проведенных исследований можно сделать следующие выводы.
1. С помощью добавки магнетита можно существенно повысить электрическую проводимость растворной смеси: так, при частоте электрического тока 50 Гц возможно повышение значений до 60—70% в зависимости от количества вводимого в состав порошка. При этом включение 3—5% тонкодисперсной добавки наиболее эффективно по сравнению с использованием такого же
Список литературы / References
1. Chung D.D.L. Electrically conductive cement-based materials. Advances in Cement Research. 2014. Vol. 16. No. 4, pp. 167-176.
2. Silvestre J., Silvestre N., de Brito J. Review on concrete nanotechnology. European Journal of Environmental and Civil Engineering. 2016. Vol. 20. No. 4, pp. 455-485.
3. Nivethitha D., Srividhya S., Dharmar S. Review on mechanical properties of cement mortar enhanced with nanoparticles. International Journal of Science and Research (IJSR). 2016. Vol. 5. Iss. 1, pp. 913-916. https:// www.ijsr.net/archive/v5i1/NOV152794.pdf.
4. Ильичев В.А., Мангушев Р.А. Справочник геотехника. Основания, фундаменты и подземные сооружения. М.: АВС, 2016. 1040 с.
4. Ilichev V.A., Mangushev R.A. Spravochnik geotekhnika. Osnovaniya, fundamenty i podzemnye sooruzheniya [Geotechnical handbook. Foundations engineering and underground constructions]. Moscow: АВС. 2016. 1040 p.
5. Borucka-Lipska J., Kiernozycki W., Guskos N., Dudek M.R., Ho D.Q., Wolak W., Marc M., Koziol J.J., Kalaga J.K. On magnetite concentrate grains with respect to their use in concrete. International Journal of Engineering Research & Science. 2016. Vol. 2, pp. 97-103.
количества порошка, так как позволяет получить более высокие значения электрической проводимости.
2. Добавка магнетита к цементному раствору приводит к изменению его прочностных характеристик. Так, у образцов с добавкой 3% порошка магнетита прирост предела прочности при изгибе составил 18,5%, при сжатии — 30%. Введение такого же количества тонкодисперсного магнетита привело к повышению прочности при изгибе до 40%, а при сжатии — до 20%.
6. Lee H.-S., Kwon S.-J. Effects of magnetite aggregate and steel powder on thermal conductivity and porosity in concrete for nuclear power plant. Advances in Materials Science and Engineering. 2016 Vol. 2016. http://dx.doi. org/10.1155/2016/9526251.
7. Sikora P., Horszczaruk E., Cendrowski K., Mijowska E. The influence of nano-Fe3O4 on the microstructure and mechanical properties of cementitious composites. Nanoscale Research Letters. 2016. Vol. 11. DOI: 10.1186/ s11671-016-1401-1.
8. Лесовик Р.В., Агеева М.С., Чернышева Н.В. Активация мелкозернистого бетона на железосодержащих техногенных песках магнитным полем // Вестник БГТУим. В.Г. Шухова. 2011. № 1. С. 24-28.
8. Lesovik, R.V., Ageeva M.S., Chernysheva N.V. Activation of fine-grained concrete containing ferriferous technogenic sands by magnetic field. Vestnik BGTU im. V.G. Shukhova. 2011. No. 1, pp. 24-28. (In Russian).
9. Amin M.S., El-Gamal S.M.A., Hashem F.S. Effect of addition of nano-magnetite on the hydration characteristics of hardened Portland cement and high slag cement pastes. Journal of Thermal Analysis and Calorimetry. Vol. 112, No. 3, pp. 1253-1259. https://doi. org/10.1007/s10973-012-2663-1.
