CC BY
25
ТЕХНИЧ|[СКИ1Е нАУКИ
«НАУКА. ИННОВАЦИИ. ТЕХНОЛОГИИ», № 3, 2013
удк 691.5 В. В. Шишкин [V. V. Shishkin],
С. В. Скориков [S. V. Skorikov]
возможности использования
дисперсноармированных цементных композитов для восстановления трубопроводов
Possibilities of fibre-reinforced cement composites using to restore the water supply pipeline
В статье предложен общий подход к проектированию состава фибро-бетонной смеси, используемой для нанесения ремонтного покрытия на внутреннюю поверхность трубопровода. Даны рекомендации о возможности использования при его восстановлении определенного типа фибровых волокон.
Ключевые слова: фибробетон, трубопровод, покрытие, базальтовая фибра, микроармирование.
General approach to the design of the composition of the fibrous mixtures, of a kind used for the application of maintenance of the coating on the inner surface of the pipe, is given in the article. Recommendations are given on the opportunities to use a certain type of fiber when restoring.
Key words: fibrous concrete, pipeline, coating, basalt fiber, fibrous reinforcement.
На эффективность дисперсного армирования оказывает влияние отношение модулей упругости материалов фибр и матрицы, количество фибр, химическая стойкость материала фибр по отношению к материалу матрицы, геометрические характеристики фибр (длина, диаметр, форма боковой поверхности), соотношение размеров армирующих волокон с размерами неоднородностей структуры матрицы - это делает важным вопрос выбора материала фибр.
В настоящее время наиболее широко, по сравнению с другими, распространены стальные фибры, стеклянные и базальтовые волокна и волокна на основе полипропилена.
Полипропиленовые волокна характеризуются повышенной дефор-мативностью и не могут выполнять роль эффективной рабочей арматуры.
Лучшими показателями в конструкционном отношении обладает стальная фибровая арматура, модуль упругости которой примерно в 6 раз превышает модуль упругости бетона. Однако, затворение магнезиального вяжущего растворами солей {Ы^а,, MgSО4) делает затруднительным применение фибр из черного металла, а использование нержавеющей стали значительно повышает стоимость конструкции.
При устройстве монолитных покрытий, высокомодульные минеральные армирующие волокна могут стать альтернативой стали, что позволит экономить металл, снизить массу конструкций, повысить устойчивость к кислотной и электрохимической коррозии.
Тонкие стеклянные и базальтовые волокна диаметром 8-10 мкм по прочности соответствуют высокоуглеродистой холоднотянутой проволоке (1800-2500 МПа), плотность же в 3,5 раза меньше. Модуль упругости примерно втрое превышает модуль упругости матрицы. Однако, производство тонких волокон и объединение их в комплексные нити требует дорогостоящего оборудования. Кроме того, при производстве стекла используется многокомпонентная шихта, что сказывается на стоимости фибр.
Для равномерного распределения таких волокон в композиции требуются специальные методы (напыление, контактное формование) и оборудование, повышающие стоимость конструкции.
В то же время для дисперсного армирования монолитных покрытий вполне могут быть использованы базальтовые грубые волокна, обладающие достаточно высокими механическими показателями (прочность на растяжение - 150 МПа, модуль упругости на 20 % выше, чем у стекла), экологичностью, эффективной технологией получения из однокомпонен-тного сырья, приводящей к снижению стоимости.
В литературе, посвященной дисперсному армированию, вопросам технологии приготовления, транспортирования и укладки смесей, армированных базальтовым грубым волокном, уделено недостаточно внимания. Это определило направление дальнейших исследований [1].
Исследование смешивания фибр и раствора.
Для изучения свойств БФБ раствора применялись стандартные методики для определения подвижности и прочности на растяжение при изгибе. По предложенной методике определялось распределение длин армирующих волокон в смеси. Математическое планирование эксперимента и обработка результатов проводились в программе Statistica.
Установлено, что увеличение процента армирования от 0 до 3,7 % по объему приводит к снижению удобоукладываемости смеси с 24 до 4 см (по осадке погружаемого конуса).
Прочность на растяжение при изгибе, в зависимости от состава компонентов для неармированных образцов, составила 10,3-14,25 МПа, для образцов с объемным процентом армирования 1,85 и 3,7 % были достигнуты значения прочности 19,8 и 20,2 МПа соответственно.
Особенностью базальтовых грубых волокон является то, что при введении в смесь и дальнейшем перемешивании, волокна разрушаются -их длина уменьшается, а количество в единице объема увеличивается.
Анализ проб БФБ смеси показал, что длина армирующих волокон является случайной величиной, распределенной по логнормальному закону. Кроме того, в зависимости от технологического воздействия изменяется средняя длина волокон и среднее квадратическое отклонение (рис. 1).
В связи с этим, параметр ЬЮ (отношение длины фибры к ее диаметру), используемый в качестве характеристики фибр, имеющих постоянную длину, в данном случае не подходит. Необходим параметр, характеризующий среднюю длину фибр в смеси и разброс длин от средней величины, изменяющийся в зависимости от технологического воздействия.
Известно, что при увеличении длины фибр повышаются конструкционные свойства композиционного материала.
То есть, параметр, характеризующий длину фибр в смеси, должен характеризовать изменение конструкционных свойств БФБ раствора.
В качестве такого параметра предлагается использовать т-параметр, определяемый по формуле:
(1)
\ 1ср/
где /. - длина /-го волокна,
п. - количество волокон с длиной /. в смеси,
п - общее количество волокон в смеси,
- диаметр волокна,
S - среднее вадратическое отклонение,
т - число интервалов разбиения,
/ - средняя длина фибр в смеси.
Распределение длин фибр до введения в смеситель
Л.
Ьср = 17,55 мм, S = 5,19
4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 Интервалы значений длин фибр
Распределение длин фибр при ручном смешивании
Ьср = 7,76 мм, S = 3,47
1 3 5 7 9 11 13 15 17 19
Интервалы значений длин фибр
Распределение длин фибр при турбулентном смешивании
Ьср = 10,74 мм, S = 3,26
2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 Интервалы значений длин фибр
20
15
10
5
0
20
15
10
5
0
30
20
10
0
Рис. 1. Распределение длин фибр при различных технологических воздействиях.
кп о До перемещения
т-параметр Lcp S
Рис. 2. Значения т-параметра, средней длины (Lcp) и среднего квад-ратического отклонения для фибр, подвергшихся различным технологическим воздействиям при перемешивании.
Исследование распределений длин фибр, полученных при различных условиях смешивания, показало, что в зависимости от технологического воздействия на армирующие волокна, значение т-параметра меняется. Так, для фибр, не подвергшихся технологическому воздействию (до введения в смеситель), это значение составляет 50,2, а в зависимости от технологического воздействия на БФБ смесь, значение т-параметра снижается и составляет от 19,5 до 29,9 (рис. 2).
Технологическое воздействие на армирующие волокна, влияющее на значение т-параметра, обусловлено факторами, вызывающими изменение длины фибр: свойствами среды, в которой перемешиваются волокна, характером движения частиц при перемешивании, временем воздействия на волокна.
Самой оптимальной технологией укладки фибробетона на внутреннюю поверхность трубопровода является технология укладки фибробето-на на внутреннюю поверхность трубопровода путем перемещения фибро-бетона между двумя торовыми оболочками и накатывания на нанесенный фибробетон рукава [2].
Разработка смесителя для приготовления цементно-песчаного раствора. Под активацией цемен-тно-водных суспензий, растворных и бетонных смесей понимают различные физические, физико-химические и химические способы воздействия, как на отдельные компоненты, так и на их композиции, приводящие к интенсификации процессов структурообразования, модифицированию структуры и свойств композитов.
Активированным состоянием вещества называется некоторое критическое промежуточное его состояние, через которое проходит протекающий во времени процесс.
По К. Мейеру активированными твердыми телами называют тела с термодинамически нестабильным расположением элементов кристаллической решетки, отличающиеся повышенным значением свободной энтальпии. Активирующие воздействия приводят к изменению энергетического состояния вещества, интенсивности их взаимодействия [3].
В соответствии с уравнением Аррениуса константа скорости химического процесса (К) определяется в основном энергией активации (Еа) и температурой (Т):
К = 5ехр(-Еа/КГ). (2)
Уменьшение Еа достигается различными способами механических, механохимических, гидравлических, магнитных и других воздействий.
В технологии бетона многие исследования посвящены вопросам механической и механохимической активации, как исходных компонентов, так и готовой смеси. При этом достигается существенная интенсификация процессов твердения, увеличение прочности и улучшение ряда других свойств.
В литературных источниках описаны много способов активирования фибробетонов. Ю. Я. Штаерман предложил приготовлять бетон путем перемешивания заполнителей с предварительно виброактивированным цементным тестом либо с цементно-песчаным раствором жесткой консистенции. Виброактивация проводилась погружением внутреннего вибратора в емкость с цементным тестом или раствором.
При виброактивации увеличивается число коллоидных частиц в смеси, более равномерно распределяется вода между зернами цемента.
Эффект виброактивации, по мнению большинства исследователей, особенно ощущается в первые сутки твердения, когда прочность образцов может повышаться до 30-40 %.
Позднее предложен вибрационный способ перемешивания компонентов бетонной смеси, предусматривающий передачу интенсивных вибрационных импульсов через корпус смесителя. Эффект повышения прочности виброперемешанных бетонов медленно затухает во времени, оно более эффективно для жестких смесей с низким В/Ц, которые труднее приготовить в обычных смесителях.
Степень повышения прочности бетона, достигаемая в результате вибросмешивания, в зависимости от вида цемента, качества заполнителей, состава и подвижности смеси может составлять 17-32 %. Опыт работы вибросмесителей показал, однако, их недолговечность. Проблема заключается также в том, чтобы обеспечить приемлемый уровень шума и вибрационные характеристики.
Активация бетонной смеси достигается также при турбулентном перемешивании, основанном на создании высоких градиентов скоростей. По данным Ю. Г. Хаютина, прочность образцов из цементного теста, активированного в турбосмесителе 1-3 мин, в возрасте 1 сут. превышает прочность контрольных образцов на 40-50 %, а в возрасте 28 сут. - на 10-20 %.
Промышленность выпускает турбулентные смесители со скоростью вращения ротора до 600 об/мин, и конструкции их совершенствуются [4].
Применение турбулентного смешивания позволяет раздельно приготовлять связующее и бетонную смесь в одной емкости и осуществлять механическую активацию крупного заполнителя и цемента.
Раздельный принцип приготовления бетонной смеси положен в основу интенсивной раздельной технологии (ИРТ). При ИРТ в скоростном смесителе - активаторе предварительно приготавливается цементное тесто с добавкой наполнителя (связующее), которое затем перемешивается в обычном смесителе с заполнителями. В турбулентном смесителе частицы многократно соударяются, в результате повышаются однородность и равномерное распределение компонентов, степень смачивания цемента, имеет место физическое и химическое диспергирование, сдирание экранирующих гидросульфоалюминатных пленок с клинкерных частиц и обнажаются новые активные центры их поверхности. При турбулентном смешивании достигается ускорение и увеличение степени гидратации це-
мента, повышается прочность цементного камня. Поданным В. И. Соло-матова, наибольшее увеличение прочности цементного камня (50-60 %) обеспечивается при скорости вращения ротора 18-24 м/с и продолжительности перемешивания 60-120 с.
Активационные воздействия на цементное тесто оказывает ультразвуковая обработка. Она вызывает эффект кавитации, диспергирование твердых частиц, микротрещины в кристаллах, что способствует растворению цементных частиц и их более полной гидратации. В отличие от высокочастотного вибрирования при ультразвуковом воздействии относительный прирост прочности возрастает с увеличением В/Ц. Под влиянием волнового давления, возникающего в акустическом поле, формируется плотная и прочная кристаллогидратная структура цементного камня. В опытах И. Н. Ахвердова после ультразвуковой обработки образцов размером 2^2x2 см «клинкерный» камень в 28 суточном возрасте при нормальном твердении имел прочность около 180 МПа, а контрольный - 50 МПа.
Интенсификация процесса упрочнения бетона достигается комплексным воздействием акустического поля с частотой 10-16 кГц и повышенной температуры. Цементное тесто можно предварительно обрабатывать в аэрогидродинамическом активаторе с последующим перемешиванием с заполнителями и разогревом до укладки при 60-65 °С. Термоакустическая активация бетонной смеси возможна также при перемешивании в разогретом состоянии в смесителях с акустическими излучателями. Сочетание активации с предварительным разогревом позволяет примерно в 1,5 раза увеличить 28-суточную прочность бетона.
В конце первой стадии структурообразования бетона, когда сформировался пространственный каркас коагуляционной структуры, наблюдается положительный эффект при повторном виброуплотнении. Приложение вибрационных воздействий в оптимальное время позволяет устранить дефекты, появляющиеся в начальный период твердения бетонных смесей в результате контракции, седиментации и тепловыделения, что дает возможность повысить прочность (в 1,5-2 раза) и долговечность бетона. Повторные вибрации позволяют релаксировать возникающим при струк-турообразовании внутренним напряжением, залечивать образующиеся структурные дефекты. Наряду со временем приложения механических воздействий эффект повторной вибрации зависит от их частоты. Максимальное увеличение прочности имеет место при ультразвуковых воздействиях. Вибрация с обычными частотами (50-200 Гц) также дает значи-
тельное, хотя и меньшее увеличение прочности бетона. Высвободившаяся при дополнительном уплотнении в результате процесса синерезиса вода коагуляционной структуры остается в твердеющей системе. Дополнительно повысить прочность затвердевшего материала можно, если одновременно с повторной вибрацией производить его вакуумирование [5].
Эффект повторного вибрирования бетонной смеси согласуется с основами теории направленного структурообразования бетона, разработанными О. П. Мчедловым-Петросяном. В соответствии с этой теорией конечный результат различных физико-механических и физико-химических воздействий зависит от момента их приложения, интенсивности и длительности.
Механические воздействия, в частности, на сформованные бетонные и железобетонные изделия, необходимо прилагать в строго определенный отрезок времени, когда идет переход от периода формирования к периоду упрочнения структуры. Ее предлагается проводить обычно через 1,5-3 часа после укладки при сохранении коагуляционной структуры. Отмечено, что в результате повторного вибрирования можно повысить прочность бетона при сжатии и изгибе на 10-15 %, повысить морозостойкость и водонепроницаемость бетона, улучшить ряд других свойств. Результаты опытов В. Н. Шмигальского показали, что целесообразно либо использовать предварительно выдержанную оптимальное время бетонную смесь, либо формовать ее сразу, применяя затем повторную вибрацию. Приложение вибраций значительно позже оптимального времени может привести к нарушению сцепления бетона с арматурой и появлению трещин.
Развиваются исследования по электромагнитным методам активации, направленным на интенсификацию гидратации отдельных клинкерных минералов, регулированию основности гидросиликатов с помощью воздействия переменным или дискретным постоянным электрическим полем определенной частоты.
Интересные результаты получены при активации цементного теста источниками высоких энергий, аэрогидродинамическими излучателями, а также при магнито-механических, электрогидравлических и термоэлектрических воздействиях на растворы и бетоны.
Перспективны исследования по активации воды затворения бетонной смеси. Согласно современным представлениям вода является микрогетерогенной анизотропной системой, в которой всегда присутствуют ультратонкие частицы и газовые пузырьки, а молекулы воды находятся
в непрерывном поступательном движении, определяющем уровень их внутренней связи. Только полярные жидкости могут служить дисперсионной средой для различных цементных композиций, так как именно полярность затворителя обеспечивает достаточную смачиваемость компонентов и образование гидратов, обладающих вяжущими свойствами.
По Дж. Берналу степень ассоциации молекул воды и структура ас-социатов зависят от числа образующихся эффективных связей при взаимодействии с другими молекулами, а также от температуры и давления среды. Принято считать, что эти связи хотя и невелики, но ослабляют электронно-донорные свойства воды и этим вызывают замедление процессов гидратации. Поэтому увеличение количества малоагрегированных молекул воды, например, с помощью электролитов или сильных окислителей, способствует повышению ее активности [6].
Интенсификации процессов физико-химического взаимодействия в жидкой фазе способствуют:
- свежеконденсированное состояние воды затворения;
- повышение термодинамических параметров системы (температуры, давления и др.);
- снижение вязкости воды за счет введения некоторых ионов;
- кратковременная обработка воды затворения в энергетических полях: механических, электромагнитных, акустических, радиационных и др.);
- деаэрация воды затворения и очистка твердофазных поверхностей от включений и примесей;
- ионизация воды затворения и изменение рН дисперсионной среды;
- усиление электронно-донорных свойств воды путем снижения степени ассоциирования ее молекул или ослабления водородной связи.
Наиболее известным видом активирования воды затво-рения является электромагнитная обработка, хотя механизм ее действия не вполне ясен и носит дискуссионный характер, а достигаемая эффективность нестабильна во времени и колеблется в широких пределах.
Водные системы способны подчиняться воздействиям внешних энергетических полей, изменяя свою структуру и свойства: гидратаци-
онную способность, смачиваемость, поверхностное натяжение, вязкость, емкость ионного объема и др.
В результате колебаний электронной плотности облаков ионов примесных солей под действием электромагнитного поля может происходить изменение энергии их взаимодействия с водой или ее ассоциатами.
Выявленный эффект проявляется в изменении растворимости клинкерных минералов, интенсивности выделения гидратной фазы и дисперсности структурных новообразований.
Эффект увеличения прочности бетона в возрасте 28 сут. при электромагнитной обработке воды, по данным различных исследователей, колеблется от 15 до 40 %. Отмечено, что эффективность электромагнитной обработки может усиливаться до 55 % в «горячих» смесях и при наличии добавок.
Действие ультразвукового поля аналогично действию электромагнитного и в оптимальных условиях обеспечивает прирост прочности бетонов на 25-50 %.
Примеси к воде, активированные физическими воздействиями -вводом в вибросмеситель, обработкой в роторной мешалке и др., могут существенно влиять на интенсивность процессов гидратации и структу-рообразования.
Эффективно затворение бетонной смеси деаэрированной водой, в том числе омагниченной, что сопровождается активизацией поверхности клинкерных минералов за счет разрушения адсорбционных пленок, интенсификацией физико-химического взаимодействия и повышением прочности бетонов в среднем на 30-40 % [7].
Создание торового смесителя. На рис. 3 изображен торовый смеситель, который выполнен из двух реверсивных приводных барабанов 1, 2, установленных на валах 3. На барабанах 1, 2 намотаны концы ленты 4, проходящей через С-образный трубчатый корпус, имеющий вертикальные патрубки 5, 6 и горизонтальную трубу 7. В вертикальных патрубках установлены ролики 8 на осях 9. В патрубках 5, 6 установлены перегородки 10 с отверстиями, на ленте 4 установлен тор 11. Горизонтальная труба 7 сообщена с системой 12 подачи реагентов и емкостью, например, трубопроводом 14 с задвижкой 13.
На рис. 4 выполнен продольный разрез тора 11.
Тор, изображенный на рис. 4, выполнен из оболочки 15, заполненной магнитной жидкостью 16. На внутренней поверхности оболочки 15
Рис. 4. Продольный разрез тора 11.
закреплены бесконечные ленты 17 с постоянными магнитами 18. Магнитная жидкость 16 и постоянные магниты 18 являются источником создания электрических и магнитных полей.
Устройство, изображенное на рис. 3, работает следующим образом.
Системой 12 в трубу 7 подают воду, цемент, песок и базальтовое волокно.
После подачи всей порции смеси, барабаны 1, 2 реверсивно вращают. Лента 4 наматывается на барабан 1 и сматывается с барабана 2.
После реверса лента 4 наматывается на барабан 2 и сматывается с барабана 1.
Тор 11 в трубе 7 совершает возвратно-поступательные перемещения от патрубка 5 к патрубку 6 и обратно.
Тор 11 перемещается в два раза медленнее, чем лента 4.
Когда тор 11 перекатывается в трубе, то источник магнитного поля создает вращающееся магнитное поле, которое проходит через оболочку 15 и воздействует на раствор.
Коллоидные частицы ферро или ферримагнетика обладают постоянным по величине магнитным моментом. Внешнее магнитное поле упорядочивает направление магнитных моментов, что ведет к появлению макроскопической намагниченности. Существуют два механизма дезориентации магнитных моментов коллоидных частиц. В твердой одноосной частице происходит тепловой «переброс» магнитного момента между двумя противоположными направлениями оси легкого намагничивания кристалла. Второй механизм обусловлен броуновским (тепловым) вращением частиц относительно жидкой основы [8].
В средних по величине магнитных полях тепловое движение препятствует выстраиванию магнитных моментов вдоль поля. В очень сильном поле все магнитные моменты ориентированы полем, и намагниченность достигает состояния насыщения. В равновесном состоянии намагниченность жидкости зависит от объемной концентрации магнитного материала, величины магнитного момента частицы, приложенного поля и энергии разупорядочивающего теплового движения.
Установлено, что вращение тора практически ликвидирует энергию разупорядочивающего теплового движения.
Концентрация твердой фазы вблизи оболочки тора возрастает почти на порядок. Эта концентрация зависит от скорости вращения тора.
В магнитных жидкостях существует определенная полидисперсность твердой фазы. Кривые намагничивания показывают сильное влияние размера частиц магнетита на магнитную восприимчивость и магнитный момент. В основе так называемого магнитогранулометрического метода определения размера малых магнитных частиц лежит сопоставление экспериментальных кривых.
С вращением тора это влияние практически исчезает, мелкие частицы располагаются между крупными частицами.
Тем не менее, существует оптимальный размер магнитных частиц. Этот эффективный диаметр частицы магнетита составил 11,7 нм.
Отношение намагниченности и плотности содержания твердой фазы оказывает существенное влияние на магнитные свойства жидкости.
Магнитные частицы при вращении тора ориентируются так, что значительно повышают реальный момент частиц магнетита.
Установлено, что резкое повышение концентрации частиц магнетита в области оболочки практически не меняет общую вязкость всего объема магнитной жидкости. Поэтому усилие, необходимое для перекатывания тора, практически не изменяется.
Тор обеспечивает агрегатирование частиц магнетита, которые образуют дополнительную оболочку, построенную из агрегатированных частиц.
При вращении тора магнитная жидкость становится неизотропной: в ней происходит ориентация отдельных магнитных моментов и, следовательно, самих частиц, если существует связь между моментом частицы и ее кристаллографической осью. Эта связь вызвана собственной анизотропией частиц, которая обусловлена кристаллографической магнитной анизотропией и несферичностью частиц. Полагая первую причину основной, напомним, что энергия магнитной анизотропии характеризуется работой, которую необходимо затратить, чтобы изменить выделенное направление магнитного момента вдоль оси легкого намагничивания. Степень связи магнитного момента с осью, следовательно, определяется энергией магнитной анизотропии по сравнению с энергией теплового движения.
Возникновение в жидкости упорядоченных агрегатов с возрастанием концентрации приводит к отклонению зависимости намагничивания от линейной.
Это обеспечивает то, что создается в стенке оболочки более сильное магнитное поле, которое позволяет активировать раствор.
Тор 11, перекатываясь по трубе 7, перемещает раствор, который вращается от продольной оси в противоположные стороны.
Эффект тороактивации заключается в следующем. При обработке цементного теста, раствора, бетонной смеси происходит адсорбционное и химическое диспергирование зёрен цементного клинкера, их дефлоку-ляция. Возрастает число коллоидных частиц в единице объёма, увеличивается масса цементного геля. Перекатывание способствует обнажению
зёрен клинкера, углублению процесса растворения, вовлечению в реакции гидратации большего количества цемента. При последующем твердении образуется большее число мелких зародышей кристаллов цементного камня. При тороактивации бетонной смеси активируется не только цемент, но и контактная поверхность цементного камня с заполнителем, повышается их адгезия. Улучшается структура цементного камня и бетона в целом. Повышается его плотность, морозостойкость, водонепроницаемость. Прочность бетона возрастает до 20 % и более [9].
Наибольшая составляющая в повышении прочности бетона является гидроактивация.
Объединение технологии обработки раствора магнитным полем с методом последующей гидроактивации позволяет добиться впечатляющих результатов, как в вопросах повышения прочности материала, так и в сокращении расхода цемента на производстве.
Сам принцип гидроактивации растворов основан на снижении фло-куляционных взаимодействий частиц.
Как известно при контакте воды с цементом между частицами появляются силы поверхностного взаимодействия, что приводит к образованию цементных флокул. В данном случае, флокулы это объединение частиц цемента вследствие молекулярного сцепления и абсорбции. Чем больше удельная поверхность цемента (цемент более мелкий), тем интенсивней протекают процессы флокулообразования. Иными словами, чем качественней цемент, тем большее количество флокул образуется. При неправильно подобранных режимах активации или смешивания происходит парадоксальное явление: до определенного момента помол цемента и соответственно увеличение удельной поверхности повышает прочность материала, однако дополнительное измельчение цемента зачастую приводит к снижению прочности. Причины этого - высокая начальная скорость схватывания цемента и агрегатирование измельченного цементного зерна.
Цементные флокулы препятствуют равномерному распределению воды в системе, сокращая количество цементного зерна, участвующего в процессе гидратации. Таким образом, от 30 до 70 % цемента не получают возможности прогидратировать в полном объеме и практически не оказывают влияние на прочность материала.
Тороактивация способствует интенсивному разрушению флокула-ционных новообразований. Цементное зерно имеет возможность прогид-
ратировать в максимально полном объеме. Таким образом, прочность материала существенно возрастает (особенно в первые сутки нормального твердения), а расход цемента снижается. Добавим к этому, что скоростной тороактиватор смесителя, равномерно распределяя компоненты раствора, способствует удалению поверхностных неактивных пленок с цементного зерна и песка.
Основное отличие тороактивации от других известных устройств -это снижение водотвердого (В/Т) отношения и оптимизация процесса порообразования (поризации).
Снижение В/Т отношения на ряду с активацией компонентов смеси - действенный способ увеличения прочности материала при снижении расхода цемента.
При подборе состава водо-цементно-песчаного раствора следует стремиться к снижению водотвердого (В/Т) отношения. Увеличение количества свободной воды в системе неизменно приводит к образованию большого количества капиллярных пор. Капиллярные поры значительно снижают прочность цементного камня, водопроницаемость цементного камня увеличивается, как следствие, значительно снижаются показатели долговечности материала.
Известно, что количество воды в бетоне, связанной с цементом, не превышает 25-28 %, но для улучшения удобноукладываемости бетона значения В/Ц принимаются 0,45-0,5. Способность раствора к поризации также напрямую зависит от количества свободной воды в растворе.
На практике получены следующие результаты: при увеличении В/Ц с 0,5 до 0,6 прочность цементного камня снижается в среднем на 15-20 %, а при уменьшении значения В/Ц с 0,6 до 0,45 прочность цементного камня возрастает на 15-18 %.
Был адаптирован применительно к условиям проведения операции цементирования известный механизм активации магнитными полями (МП) цементного раствора. Механизм основан на активации и диспергировании железосодержащих частиц (порядка 5 %) в цементном растворе, создание дополнительных центров роста кристаллов гидросиликатов из раствора, и как следствие, создание мелкозернистой структуры камня. Эти частицы увеличивают число центров кристаллизации гидросиликатов и, соответственно, улучшает его тампонирующую способность и т. п. В целом качество цементирования повышается.
Таблица 1. ВЛИяНИЕ ТОРОАКТИВАЦИИ И МАГНИТНОГО ПОЛя
НА ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ЦЕМЕНТНОГО КАМНя
Тип цемента, размер образцов Плотность, г/см3 Растекаемость, см Прочность на сжатие, МПа Стабильность, %
нм* м* нм м нм м нм м
Фибробетон 0 18 20 х 20 х 100 1,72 1,80 15,5 15,5 6,15 6,36 95 100
1,72 1,80 14,0 14,0 24,40 25,1
Цементно-песчаная смесь 018 20 х 20 х 100 1,40 1,42 22 22 2,65 3,4 87 100
1,40 1,42 22 22 8,45 18,75
«нм» = «неомагниченныи», «м» = «омагниченныи»,
*
В таблице 1 показано влияние тороактивации и магнитного поля на физико-механические свойства цементного камня.
Сравнение кривых загустевания омагниченного и обычного цементного растворов позволяет обратить внимание на имеющиеся у них отличия. У обычного цементного раствора в период интенсивного тепловыделения и нарастания скорости структурообразования кривая в заключительной стадии приобретает «пилообразный» характер за счет эффекта разрушения образующихся крупных кристаллических образований. На кривой загустевания у омагниченного цементного раствора «пилообразного» эффекта нет за счет формирования в растворе более мелких кристаллических образований и более однородной по размерам структуры, формирующейся на дополнительных центрах кристаллизации, образованных под воздействием магнитной обработки.
Из таблице 1 видно, что обработка МП несколько увеличивает плотность растворов за счет создания более однородной структуры рас-
твора и, следовательно, прочность цементного камня. Стабильность раствора составляет 100 %, т. е. седиментационного водоотделения не происходит [10].
Таким образом, результаты проведенных исследований подтверждают эффективность воздействия МП на физико-механические свойства растворов.
Тороактивация цементных растворов. Тщательное изучение торо-актвациии водоцементных паст неспособно дать полную и исчерпывающую информацию об активации фибробетона, т. к. в активируемую двухкомпонентную систему (цемент + вода) вводится третий компонент - заполнитель.
Фотографии микрошлифов обычного и виброактивированного це-ментно-песчаных растворов убедительно свидетельствуют, что при совместной виброобработке активируются н только цементные зерна, но и места их контакта с заполнителем. Активация точки контакта цемента и заполнителя влечет за собой далеко идущие последствия, а именно повышение плотности бетона, прочности на сжатие и, в особенности - на растяжение. Повышается морозостойкость бетона, улучшается сопротивляемость всем видам износ, снижается водопронеицаемость и капиллярный водоподсос. Все вместе это позволяет значительно улучшить характеристики бетонов и растворов прошедших виброактивацию.
Исследованию оптимальных параметров виброактивации цемент-но-песчаных вибропаст была посвящена большая серия экспериментов.
Характеристики цемента, использованного для экспериментов приведены в таблице 2.
Песок использовался из различных карьеров и различной крупности (табл. 3).
Дозировки сухой смеси во всех случаях были постоянны - на 60 г цемента 120 г песка.
В качестве основного показателя эффекта тороактивации было принято повышение прочности кубиков в возрасте трех дней, изготовленных из тороактивированного и обычного цементно-песчаных растворов.
Результаты экспериментов сведены в табл. 4.
Частота в Гц определялась количеством прохождения постоянного магнита над заданной точкой трубы [11].
В процессе экспериментов было установлено, что на саму возможность и эффективность тороактивации огромное влияние оказывает коли-
Таблица 2. ХАРАКТЕРИСТИКИ ЦЕМЕНТА, ИСПОЛЬЗОВАННОГО
ДЛЯ ЭКСПЕРИМЕНТОВ
Параметры цемента Портландцемент «пуццолановый»
Нормальная густота 0,305
Начало схватывания, через, в час-мин 3-10
Конец схватывания, через, в час-мин 6-15
Прочность на сжатие в возрасте 7 суток, кг/см 318
Прочность на сжатие в возрасте 28 суток, кг/см 377
Прочность на растяжение в возрасте 7 суток, кг/см2 21,2
Прочность на растяжение в возрасте 28 суток, кг/см 29,2
Таблица 3. ХАРАКТЕРИСТИКИ КРУПНОСТИ ПЕСКА,
В ЗАВИСИМОСТИ ОТ КАРЬЕРА
Карьер песка Процентное содержание частиц, %
больше 0,3 мм от 0,15 до 0,3 мм от 0,088 до 0,15 мм меньше 0,088 мм
к 1 8,4 37,2 32,7 21,7
к 2 34,6 61,4 3,6 0,4
к 3 81,8 16,6 1,2 0,4
Таблица 4. ЗНАЧЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ПОВЫШЕНИЯ ПРОЧНОСТИ
В ЗАВИСИМОСТИ ОТ ЧАСТОТЫ ВИБРОАКТИВИРУЮЩЕГО ВОЗДЕЙСТВИЯ
Карьер песка Значение коэффициента повышения прочности в зависимости от частоты виброактивирующего воздействия, Гц
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000
к 1 1 1,1 1,4 1,7 1,32 1,25 1,25 1,25 1,25 1,25 1,25
к 2 1 1,38 1,6 1,1 1,05 1,05 1,05 1,05 1,05 1,05 1,05
к 3 1 1,56 1,48 1,28 1,18 1,18 1,18 1,18 1,18 1,18 1,18
чество воды, пошедшее на смачивание цементно-песчаной смеси. При избыточном увлажнении смеси вибрирование вызывает расслоение массы без достижения ощутимого эффекта активизации.
При надлежащем увлажнении наблюдается следующая картина. При перекатывании тора, масса приходит в движение, оседает и уплотняется, вытесняя при этом захваченный воздух.
Цемент интенсивно реагирует с водой, цементные зерна растираются и дробятся, а вода, пошедшая на смачивание песка, поглощается цементом, и зерна песка покрываются коллоидной массой. Смесь цемента с песком приобретает жирный блеск.
При дальнейших перемещениях тора смесь приобретает повышенную текучесть.
Величина оптимальной водной добавки к активируемой смеси песка с цементом первоначально принимается равной сумме парциальных добавок на увлажнение цемента, смачивание поверхности заполнителя и на воду поглощаемую порами песка. Оптимальный расход воды меньше суммы парциальных расходов, т.к. активируемый цемент отсасывает воду из пленок обволакивающих поверхность заполнителя.
Уже эти первоначальные эксперименты показали, что в вопросе то-роактивации цементно-песчаных суспензий существуют определенные парадоксальные зависимости. А именно:
- эффективность тороактивации растет с увеличением среднего размера зерна заполнителя;
- для различных по крупности заполнителей существуют строго определенные частотные диапазоны обработки, в пределах которых эффект тороактивации наиболее выражен;
- количество воды, пошедшей на смачивание цементно-песчаной пасты, играет очень большое значение и тоже находится в строго определенном оптимуме.
Изучению этих парадоксов и особенностей и были посвящены все последующие исследования в этом направлении.
Влияние среднего размера зерна заполнителя на эффективную частоту тороактивации. Как было выяснено в первоначальных исследованиях - оптимальная частота обработки сильно зависит от крупности песка. Поэтому было бы весьма заманчиво математически установить эту зави-
симость, чтобы назначать оптимальную частоту обработки, а не подбирать её путем длительных и кропотливых экспериментирований.
Если рассматривать простейший случай изготовления тороактиви-рованного раствора на мелком песке, то следует отбросить влияние вибрационных импульсов на цементные зерна в виду их малости по сравнению со средним размером зерен песка.
В начале торообработки прилагаемые импульсы механического возмущения пронизывают полусухую рассыпчатую смесь. Благодаря такому вибровоздействию полусухая смесь приобретает свойства псевдожидкости - неоднородной вязкой жидкости. Поэтому в дальнейшем рассматривать вибрационные возмущения следует не по отношению к полусухой смеси, а по отношению к жидкости.
Так как эта псевдожидкость неоднородна по составу, да еще и состоит из частиц разной размерности (а соответственно и массы) оптимальным было бы назначение многочастотного вибрирования - чтобы как можно больше частиц, составляющих раствор вошло в состояние резонанса с внешним вибровозмущением. Это самый экономичный случай, но не самый простой. Поэтому из практических соображений было предложено отказаться от многочастотного вибрирования, а искать оптимум частоты для частиц некой средней размерности.
ЛИТЕРАТУРА 1. Шишкин В. В., Скориков С. В., Акиншина А. В. Возможности использования дисперсноармированных цементных композитов для восстановления трубопроводов водоснабжения / Научный журнал Северо-Кавказского федерального университета «Современная наука и инновации». Выпуск 1. Ставрополь: СКФУ, 2013. С. 77-85. 150 с.
2. Давыденко О. В., Шишкин В. В. Технология формирования покрытия при восстановлении трубопроводов // Исследовано в России, 2011. № 38 [Электронный ресурс]. URL: http://zhumal.ape.relam.ru/ articles/2011 /038.pdf (дата обращения: 18.04.2014).
3. Давыденко О. В. Применение фиброцементных композиций при восстановлении трубопроводов // Актуальные вопросы современной техники и технологии: Сборник докладов II-й Международной научной заочной конференции, г. Липецк, 2 октября 2010 г. / под ред. А. В. Горбенко, С. В. Довженко. Липецк: Издательский центр «Де-факто», 2010. С. 251-253.
4. Давыденко О. В. Анализ практики восстановления трубопроводов путем формирования покрытий // Техника и технология: новые пер-
спективы развития: Материалы IV Международной научно-практи-ческоИ конференции, г. Москва, 09 декабря 2011 г. Москва: Издательство «Спутник+», 2011. С. 39-41.
5. Давыденко О. В. Влияние условий твердения цементного раствора на физико-механические свойства защитного покрытия, наносимого с использованием торовых внутритрубных приводов // Теория и практика современной науки: материалы IV Международной научно-практической конференции, г Москва, 30 декабря 2011 г. / Науч.-инф. издат. центр «Институт стратегических исследований». Москва: Изд-во «Спецкнига», 2011. С. 120-123.
6. Новицкий А. Г., Ефремов М. В. Особенности получения непрерывного химически стойкого базальтового волокна // Xiмiчнa про-мисловють УкраЫи. 2003. № 1. С. 24-27.
7. Канаев С. Ф. Базальтофибробетон на грубых базальтовых волокнах. Обзор. М.: Композит. 1990.
8. Стеклофибробетон и конструкции из него. Серия «Строительные материалы». Вып. 5. ВНИИНТПИ, М. 1991.
9. Новицкий А. Г., Ефремов М. В. Аспекты применения базальтовой фибры для армирования бетонов // Будiвельнi матерiали, вироби та саытарна техыка. Вып. 36. 2010.
10. Пухаренко Ю. В., Ковалева А. Ю. Вопросы и решения в проектировании состава фибробетона // Международное аналитическое обозрение: цемент бетон сухие строительные смеси. 2009. № 1 (8). С. 50-55.
ОБ АВТОРАХ Шишкин Виктор Васильевич, младший научный сотрудник Межкафедральной научно-учебной лаборатории комплексных исследований материалов, механизмов и конструкций, Институт строительства, транспорта и машиностроения, Северо-Кавказский федеральный университет. Телефон 8-962-441-28-77. E-mail: savva@ncstu.ru.
Скориков Савва Викторович, Северо-Кавказский федеральный университет, Институт строительства, транспорта и машиностроения, доцент, кандидат технических наук. Телефон 8-962-451-01-42, E-mail: savva@ncstu.ru
Shishkin Viktor Vasil'evich, junior researcher interdepartmental scientific — educational laboratory studies of complex materials, mechanisms and structures, Institute of Construction, Transport and Engineering, North-Caucasian Federal University.
Skorikov Sava Victorovich, associate Professor of the Department of construction, the Institute of building, transport and machine, North Caucasus Federal University, PhD.
