Влияние ультразвуковой обработки цементного теста на физико-механические свойства цементных композиций Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 691.535

, инженер (kreation02@mail.ru), Р.А. ИБРАГИМОВ, канд. техн.наук, д-р техн. наук

Казанский государственный архитектурно-строительный университет (420043, г. Казань, ул. Зеленая, 1)

Влияние ультразвуковой обработки цементного теста на физико-механические свойства цементных композиций

Приведены данные влияния активации воды затворения и ультразвуковой обработки на кинетику тепловыделения и сроки схватывания цементного теста, а также на прочность цементно-песчаного раствора. Показано, что с увеличением интенсивности ультразвукового воздействия сокращаются как начало, так и конец схватывания цементного теста. Совместное сочетание активации воды затворения и ультразвуковой обработки модифицированного цементного теста позволяет значительно повысить прочность растворных смесей. Кинетика тепловыделения цементного теста, затворенного на активированной воде и подвергнутого ультразвуковому воздействию, свидетельствует об ускорении процессов гидратации и структурообразования цементного камня, что имеет важное практическое значение в монолитном домостроении.

Ключевые слова: ультразвук, цементное тесто, раствор, электрохимическая активация воды, гиперпластификатор.

A.I. PIMENOV, Engineer (kreation02@mail.ru) , R.A. IBRAGIMOV, Candidate of Sciences (Engineering), | V.S. IZOTOvTI Doctor of Sciences (Engineering) Kazan State University of Architecture and Engineering (1, Zelenaya Street, Kazan, 420043, Russian Federation)

Influence of Ultrasonic Treatment of Cement Paste on Physical-Mechanical Properties of Cement Compositions

The article presents the data on the impact of activation of mixing water and ultrasonic treatment on the kinetics of heat emission and time of setting of cement paste as well as on the strength of cement-sand mortar. It is shown that increasing the intensity of ultrasonic impact reduces both the beginning of setting and the end of setting of cement paste. The joint combination of mixing water activation and ultrasonic treatment of the modified cement paste makes it possible to significantly improve the strength of mortar mixes. The kinetics of heat emission of cement paste mixed with activated water and subjected to the ultrasonic impact demonstrates the acceleration of processes of hydration and structure formation of cement stone that is of practical importance for monolithic construction. Keywords: ultrasonic, cement paste, mortar, electrochemical activation of water, superplasticizer.

А.И. ПИМЕНОВ В.С. ИЗОТОВ,

Спрос на жилищное и промышленное строительство определяет рост и развитие экономики. Поэтому для выполнения необходимых требований в эпоху развития нужны инновационные технологии, с помощью которых можно сократить сроки, уменьшить расходы и увеличить объемы строительства.

Бетонные изделия и железобетонные конструкции занимают основную долю в объеме строительных материалов, поэтому процесс повышения их эффективности на стадии изготовления имеет важное значение.

В современных условиях наблюдается значительный рост монолитного строительства с использованием подвижных и высокоподвижных бетонных смесей, применение которых приводит к значительному перерасходу цемента и, как следствие, удорожанию строительства. Кроме того, повышение расхода цемента приводит к увеличению усадочных деформаций и снижению тре-щиностойкости бетона.

Одним из путей решения данной проблемы является активация сырьевых компонентов, в первую очередь цемента. Например, активация цемента при помощи ультразвукового воздействия позволяет получить существенный прирост прочности бетона [1—3] или снизить расход цемента.

Наряду с ультразвуковым воздействием на цементные композиции известны электрохимические методы, основанные на регулировании рН воды затворения, что также приводит к повышению прочности бетона на 20—30%, при этом регулирование параметров электрообработки воды затворения дает возможность управлять твердением и физико-механическими свойствами вяжущего [4], повышает растекаемость цементного теста с одновременным повышением его пластической прочности [6], что способствует ускорению процесса структурообразования бетона.

В статье приводятся результаты исследования влияния ультразвукового воздействия (УЗВ) на цементное

тесто, затворенного как на обычной, так и на электрохимически активированной (ЭХА) воде, в том числе и в присутствии гиперпластификаторов на поликарбокси-латной основе, на его сроки схватывания и физико-механические свойства цементного раствора. Исходная вода соответствует ГОСТ 2874—82.

Ультразвуковую обработку цементного теста проводили с помощью ультразвукового прибора УЗГ13-0,1/22, мощность воздействия варьировалась от 0 до 92 Вт, частота пьезокерамического преобразователя составляла 22 кГц.

Электрохимическую активацию воды затворения осуществляли в приборе «Мелеста-М» до достижения рН, равной 10,5 ед.

В работе использовали гиперпластификаторы «Гиперлит» и «Remicrete SP-60». Добавка «Гиперлит» представляет собой сополимер на основе полиоксиэти-леновых производных ненасыщенных карбоновых кислот, содержание сухого вещества 30—35%. Оптимальная дозировка 0,9—1,5% от массы цемента.

«Remicrete SP-60» — сополимер на основе полиэфир-карбоксилатов, плотность водного раствора 1,09 г/см3, имеет сертификационный номер: 0764-CPD—0012 (согласно EN 934—2:2001). Оптимальная дозировка 1% от массы цемента.

Исследование влияния УЗВ выполнялось на портландцементе Вольского завода ПЦ400 Д20. Сравнивались составы, обработанные при различной мощности и времени ультразвукового воздействия. Водоцементное отношение составило 0,42.

После ультразвукового воздействия на цементное тесто определяли рН среды с помощью прибора «testo 206 рН-2». Результаты эксперимента приведены в табл. 1, из которой следует, что в зависимости от мощности ультразвукового воздействия повышается температура цементного теста от 20 до 38оС, сокращаются сроки его схватывания: начало — на 4—96%, а конец — на 4—70%.

82

научно-технический и производственный журнал

октябрь 2015

ÍÁ ®

Таблица 1

Влияние интенсивности ультразвукового воздействия на свойства цементного теста

Продолжительность УЗВ, мин Мощность, Вт Температура теста, оС рН Сроки схватывания, мин

Начало Конец

Контрольный - 20,5 12,56 350 550

1 40 21,1 12,44 335 530

3 40 22,8 12,54 315 515

5 40 22,6 12,47 290 500

7 40 22,5 12,59 270 460

1 60 21,9 12,4 320 520

3 60 23,5 12,41 305 500

3 72 24,7 12,42 295 485

5 72 26,3 12,4 275 460

3 80 27,3 12,41 294 451

5 80 32,4 12,43 284 457

1 92 26,3 12,57 312 501

3 92 33,6 12,33 273 440

5 92 38,2 11,97 242 385

При мощности воздействия 40 Вт и времени воздействия ультразвука от 1 и до 7 мин, температура цементного теста повышается на 1—2оС, при этом начало схватывания сокращается на 15—80 мин, а конец на 20—90 мин. При мощности ультразвукового воздействия 92 Вт в течении 1—5 мин, температура цементного теста повышается на 6—18оС, при этом начало схватывания сокращается на 38—108 мин, конец — на 49—165 мин.

Таким образом, результаты эксперимента показывают, что с увеличением интенсивности (продолжительности и мощности) ультразвукового воздействия на цементное тесто без добавок наблюдается повышение его температуры, сокращаются сроки схватывания и повышается рН среды, тем значительнее, чем выше интенсивность ультразвукового воздействия.

Во второй серии опытов ультразвуковому воздействию подвергалось пластифицированное цементное тесто постоянной подвижности. В качестве пластификаторов использовались добавки «Гиперлит» и «Яетюгйе 8Р-60» в оптимальных дозировках.

Результаты исследований, приведенные в табл. 2, свидетельствуют о значительном влиянии продолжительности ультразвукового воздействия на сроки схватывания пластифицированного цементного теста.

С увеличением продолжительности ультразвукового воздействия наблюдается сокращение времени начала и конца схватывания цементного теста, модифицированного как добавкой «Гипер-лит», так и добавкой «Яетюгйе 8Р-60», при этом наиболее интенсивное сокращение сроков схватывания (на 63—67%) происходит в случае применения добавки «Гиперлит». Это обусловлено тем, что данная добавка даже без ультразвукового воздействия сокращает сроки начало схватывания

теста с 440 до 330 мин, в то время как добавка Яетюгйе 8Р-60 увеличивает сроки схватывания на 12—18% по сравнению с контрольным составом.

Исследовано влияние ультразвуковой активации пластифицированного цементного теста на физико-механические свойства цементного раствора состава 1:3. Испытания выполнялись в соответствии с методикой ГОСТ 310.4—81, при этом расплыв конуса составил 106—108 мм. В качестве вяжущего применялся портландцемент Вольского завода ПЦ400 Д20, а в качестве мелкого заполнителя — песок Камско-Устьинского месторождения с модулем крупности 2,7. Результаты эксперимента приведены в табл. 3.

Из табл. 3 видно, что при введении в состав цементно-песчаного раствора данных гиперпластификаторов происходит снижение водоцементного отношения с 0,42 до 0,3—0,31, одновременно существенно повышается прочность раствора, как в ранние сроки твердения, так и в возрасте 28 сут. Так, в возрасте 2 сут нормального твердения прочность раствора с добавкой «Гиперлит» повышается на 52% при изгибе и на 38% при сжатии, в возрасте 28 сут — на 61% при изгибе и на 48% при сжатии.

При введении добавки «Яетюгйе 8Р-60» в оптимальной дозировке повышение прочности как при изгибе, так и при сжатии значительно выше, чем в случае применения добавки «Гиперлит». В возрасте 2 сут нормального твердения прочность раствора с добавкой «Яетюгйе 8Р-60» повышается на 85% при изгибе и на 46% при сжатии, а в возрасте 28 сут прочность раствора повышается на 186% при изгибе и на 91% при сжатии.

В случае, если раствор приготовить на пластифицированном цементном тесте, подвергнутым ультразвуковой обработке, то может быть получен дополнительный прирост прочности как в ранние сроки твердения, так и в проектном возрасте. При ультразвуковой обработке цементного теста, пластифицированного добавкой «Гиперлит», прочность цементно-песчаного раствора в возрасте 2 сут дополнительно повышается на 15% при изгибе и на 13% при сжатии, а в возрасте 28 сут на 24% при изгибе и на 14% при сжатии.

Еще более существенный прирост прочности раствора наблюдается, если ультразвуковой обработке подвергать цементное тесто, пластифицированное добавкой Яетюгйе 8Р-60. В этом случае дополнительный прирост прочности составит через 2 сут 17% при изгибе и 18% при сжатии, а через 28 сут — 38% и 28% соответственно.

В ряде исследований [4, 5] показано, что изменение рН воды затворения, в частности путем ее электрохими-

Таблица 2

Влияние интенсивности ультразвукового воздействия на сроки схватывания пластифицированного цементного теста

Вид и дозировка добавки, % Время УЗВ, мин Мощность, Вт t, oC В/Ц Сроки схватывания, мин

Гиперлит Remicrete SP-60 Начало Конец

- - - - 22 0,42 440 510

1,25 - - - 22,1 0,31 330 505

1,25 - 3 92 25,7 0,31 320 390

1,25 - 5 92 31,1 0,31 290 380

1,25 - 7 92 42,3 0,31 275 340

- 1 - - 22,2 0,3 520 570

- 1 3 92 26,4 0,3 460 550

- 1 5 92 33 0,3 380 440

- 1 7 92 45,7 0,3 330 390

fj научно-технический и производственный журнал

® октябрь 2015 83"

Таблица 3

Влияние гиперпластификаторов и ультразвуковой обработки на физико-механические свойства цементного раствора

Вид и дозировка добавки, % Врем диспе /1Я р- и, Мощность, Вт В/Ц Прочность при изгибе, МПа Прочность при сжатии, МПа

Гиперлит Remicrete вР-60 гаци мин 2 сут 28 сут 2 сут 28 сут

- - - - 0,42 2,43 4,87 9,24 27,63

- - 7 92 0,42 2,89 5,60 11,18 32,05

1,25 - - - 0,31 3,69 6,72 14,88 40,89

1,25 - 7 92 0,31 4,06 6,87 17,09 44,76

- 1 - - 0,3 4,52 7,13 25,52 52,7

- 1 7 92 0,3 4,68 7,50 29,04 60,63

Таблица 4 Влияние ультразвукового воздействия и ЭХА воды на прочность цементного раствора

Дозировка добавки <^етю^е БР-60», % рН воды Время УЗВ, мин В/Ц Прочность при изгибе, МПа Прочность при сжатии, МПа

2 сут 28 сут 2 сут 28 сут

- 7,2 - 0,42 2,5 5,6 9,8 34

- 10,5 - 0,42 2,7 6,1 11,2 37,1

- 10,5 7 0,42 3,1 6,6 12,5 40

1 7,2 - 0,3 4,5 7,6 22,7 53,8

1 10,5 - 0,3 4,9 7,9 24,2 56,1

1 10,5 7 0,3 5,1 8,2 26,8 61,2

ческой активации, оказывает положительное влияние на процессы твердения цементного камня и бетона. В связи с этим определенный научный интерес представляет изучение совместного влияния на прочность цементно-песчаного раствора ультразвукового воздействия на модифицированное цементное тесто, полученное затворением ЭХА водой. Для этой цели использовалась щелочная вода, полученная при помощи электрохимической активации в приборе «Мелеста-М». Время ЭХА составило 20 мин. Цементное тесто затворяли щелочной водой с рН=10,5, содержащей гиперпластификатор «Яетюгйе 8Р-60», и подвергали ультразвуковому воздействию при мощности 92 Вт в течение 7 мин. Результаты физико-механических испытаний приведены в табл. 4.

Из табл. 4 видно, что ультразвуковое воздействие на цементное тесто, затворенное щелочной водой в отсутствие добавок и используемое для изготовления раствора состава 1:3 по ГОСТ 310, повышает прочность растворных образцов балочек 4x4x16 см на 2-е и 28-е сут при изгибе на 19—25%, при сжатии — на 17—27 %, по сравнению с контрольным составом.

При модификации цементного теста добавкой «Яетюгйе 8Р-60», затворенного на электрохимически активированной воде, прочность цементного раствора на 2-е и 28-е сут повышается при изгибе на 9—24%, а при сжатии — на 21—42% по сравнению с модифицированным составом, полученным на обычной воде затворе-ния и без и ультразвукового воздействия. При ультразвуковом воздействии дополнительный прирост прочности раствора через 2 сут составляет при изгибе — 4%, при сжатии — 10%. Через 28 сут нормального твердения дополнительный прирост прочности раствора как при изгибе, так и при сжатии составляет 9%. Таким образом, при совместном модифицирующем воздействии гиперпластификатора, ЭХА воды затворения и ультразвука

обеспечивается прирост прочности раствора при изгибе в возрасте 2 сут практически в 2 раза, при сжатии — в 1,7 раза, а в возрасте 28 сут прочность при изгибе увеличивается на 48% и при сжатии — на 79% по сравнению с обычным раствором без модифицирующего воздействия.

Изменение сроков схватывания цементного теста и повышение прочности раствора, особенно в ранние сроки связано с особенностями процесса гидратации цемента и структурообразования цементного камня. Особенности процесса гидратации портландцемента при наличии модифицирующих воздействий изучались методом термосной калориметрии с помощью измерительного комплекса «Термохрон». Результаты испытаний приведены на рисунке.

Из рисунка видно, что ультразвуковое воздействие на цементное тесто приводит к повышению температурного максимума и смещению его влево по сравнению с контрольным составом. В составе с добавкой «Яетюгйе 8Р-60» наблюдается наибольшее повышение температурного пика (с 60 и до 68оС).

Смещение температурного пика кривых влево в образцах, полученных УЗВ цементного теста, свидетельствует о более быстрой гидратации портландцемента.

По результатам проведенных исследований можно сделать следующие выводы: ультразвуковое воздействие на цементное тесто влияет на сроки схватывания. С увеличением интенсивности (мощности и времени) воздействия ультразвука сокращаются как начало схватывания (на 15—108 мин), так и конец схватывания (на 20—165 мин). При введении в цементное тесто добавок «Гиперлит», «Яетюгйе 8Р-60» с одновременным ультразвуковым воздействием постоянной интенсивности, начало схватывания дополнительно сокращается на 10—190 мин, а конец схватывания — на 20-180 мин.

Прочность цементно-песчаного раствора, полученного на цементном тесте, подвергнутом ультразвуковому воздействию, выше контрольного состава в исследуемые сроки при изгибе на 15-19%, при сжатии на 16-21%. При совместном воздействии добавки гиперпластификатора и ультразвука увеличивается прочность цементно-песчаного раствора при изгибе на 3-15%, при сжатии — на 14-38% по сравнению с состава

70 Я Я)

с £

'-го ю о

С 10 20 30 ¿0 50

Время, V

Кинетика тепловыделения цементного теста: 1 - состав без добавок; 2 - состав без добавок с УЗВ на цементное тесто, затворенное щелочной водой; 3 - состав без добавок, затворенный на обычной воде и подвергнутый УЗВ; 4 - состав с добавкой «Remicrete вР-60», затворенный на щелочной воде и подвергнутый УЗВ

4

г д

научно-технический и производственный журнал £J\±Jг\i>\'::

84 октябрь 2015

вом, модифицированным только гиперпластификатором. Прочность составов, модифицированных добавкой «Remicrete SP-60» при ультразвуковом воздействии на цементное тесто, затворенное ЭХА водой, выше прочности модифицированного состава, затворенного щелочной водой без УЗВ цементного теста при изгибе на 6—8%, при сжатии — на 14—24%.

Список литературы

1. Robler C., Stockigh M., Peters S., Ludwig H.-M. Powerultrasound — an efficient method to accelerate setting and early strength development of concrete. F.A. FingerInstitute for building Materials Science, Bauhaus-University Weimar, Germany, 2009.

2. Daniel Peter Kennedy. A study to determine and quantify the benefits of using power ultrasound technology in a precast concrete manufacturing environment. Trinity College Dublin, 2012.

3. Патент РФ 2371414 C1. Бетонная смесь / Белов В.В., Кузнецов М.Ю., Брусов А.С. Заявл. 03.04.2008. Опубл. 27.10.2009.

4. Сафронов В.Н., Кугаевская С.А., Румянцева Е.В. Цикловая магнитная активация жидких сред за-творения с нарушенной структурой различного химического состава. Вестник ТГАСУ. 2012. № 3. С. 133-142.

5. Баженов Ю.М., Фомичев В.Т. и др. Теоретическое обоснование получения бетонов на основе электрохимически- и электромагнитно-активированной воды затворения. Интернет-вестник ВолгГАСУ. 2012. Вып. 2 (22) (дата обращения 30.09.2015).

6. Кудяков А.И., Петров А.Г., Петров Г.Г., Иконникова К.В. Улучшения качества цементного камня путем многочастотной ультразвуковой активации воды затворения. Вестник ТГАСУ. № 3. 2012. С. 143-152.

7. Лукьянченко М., Джелял А., Струбалин А. Влияние технологических параметров на прочность различных видов вяжущих при ультразвуковой обработке водотвердых суспензий. Motrol. Commission of motorization and energetic in agriculture. Lublin-Rzeszow. Vol.15. 2013. No. 5, pp. 17-22.

8. Федоркин С.И., Макарова Е.С., Елкина Е.Е. Повышение прочности цементного камня путем модификации цемента механоактивированными малыми частицами. Коммунальное хозяйство городов. Харьков: ХНУГХ им. А.Н.Бекетова. 2012. № 105. С. 22-27.

Кинетика тепловыделения цементного теста свидетельствует о более быстрой гидратации портландцемента, подверженного УЗВ. Ускорение процесса гидратации и структурообразования имеет важное значение при монолитном строительстве, так как снижение времени выдерживания железобетонных конструкций в опалубке является актуальной задачей.

References

1. Robler C., Stockigh M., Peters S., Ludwig H.-M. Powerultrasound — an efficient method to accelerate setting and early strength development of concrete. F.A. FingerInstitute for building Materials Science, Bauhaus-University Weimar, Germany, 2009.

2. Daniel Peter Kennedy. A study to determine and quantify the benefits of using power ultrasound technology in a precast concrete manufacturing environment. Trinity College Dublin, 2012.

3. Patent RF 2371414 C1. Betonnaya smes'[Concrete mix]. Belov V.V., Kuznecov M.Yu., Brycov A.S.; Declared 03.04.2008, Published 27.10.2009. (In Russian).

4. Safronov V.N., Kugaevskaya S.A., Rumyantseva E.V. Cyclic magnetic activation of liquid environments of a zatvoreniye with the broken structure of various chemical composition. Vestnik TGASU. 2012. No. 3, pp. 133—142. (In Russian).

5. Bazhenov Yu.M., Fomichev V.T. Theoretical justification of receiving concrete on the basis of electrochemical and elektromagnitnoaktivirovanny water of mixing. Internet-vestnik VolgGASU. 2012. No. 2 (22) (date оf access 30.09.2015). (In Russian).

6. Kudyakov A.I., Petrov A.G., Petrov G.G., Ikonni-kova K.V. Improvements of quality of a cement stone by multifrequency ultrasonic activation of water of mixing. Vestnik TGASU. 2012. No. 3, pp. 143—152. (In Russian).

7. Luk'yanchenko M., Dzhelyal A., Strubalin A. Influence of technological parameters on durability of different types of water firm suspensions knitting at ultrasonic processing. Motrol. Commission of motorization and energetic in agriculture. Lublin-Rzeszow. Vol.15. 2013. No. 5, pp. 17—22.

8. Fedorkin S.I., Makarova E.S., Elkina E.E. Increase of durability of a cement stone by cement modification by the mechanoactivated small particles. Kommunal'noe khozyaistvo gorodov. Khar'kov: KhNUGKh imeni A.N. Beketova. 2012. No. 105, pp. 22—27. (In Russian).

Международная научно-практическая конференция ПРОМЫШЛЕННЫЕ МИНЕРАЛЫ: ПРОБЛЕМЫ ПРОГНОЗА, ПОИСКОВ, ОЦЕНКИ И ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ОСВОЕНИЯ МЕСТОРОЖДЕНИЙ

9—13 ноября 2015, г. Казань, Россия

Конференция проводится под эгидой Федерального агентства по недропользованию и Правительства Республики Татарстан. Конференция посвящена 70-летию ФГУП «ЦНИИгеолнеруд».

Темы конференции * Прогноз, поиски и оценка месторождений промышленных минералов * Развитие мирового рынка промышленных минералов и направления развития отечественной минерально-сырьевой базы • Инновационные методы и методики изучения и оценки качества сырья, технологии добычи, переработки, получения высоколиквидной продукции

Контакты

По организационным вопросам: Садыков Равиль Касумович, тел.: (843) 238-74-66, E-mail: root@geolnerud.net По программным вопросам: Лыгина Талия Зинуровна, тел.: (843) 236-53-73, E-mail: root@geolnerud.net Секретариат: Антонов Вадим Алексеевич, тел.: (843) 236-44-13, E-mail: antonov-geo@rumbler.ru

Хасанова Марина Борисовна, (843) 236-54-80, E-mail: nauka@geolnerud.net, marina-geolnerud@mail.ru

Адрес: Ул. Зинина, 4, Казань, Россия, 420097 Тел.: 8 (843) 236-47-93. Факс 8 (843) 236 47 04. E-mail: root@geolnerud.net www.geolnerud.net

©teD'AfZJlhrMS.

Ы ®

научно-технический и производственный журнал

октябрь 2015

85