CC BY
29
СТРОИТЕЛЬНОЕ МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ
УДК 666.974
П.П. Гуюмджян, Т.Г. Ветренко, Н.М. Ладаев, Е.В. Зиновьева
ФГБОУВПО «ИГАСУ»
ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ МЕХАНОАКТИВИРОВАННОЙ ВОДЫ С ЦЕМЕНТНЫМ ВЯЖУЩИМ
Рассмотрен механизм взаимодействия воды с частицами цементного вяжущего при их совместной высокоскоростной обработке в перемешивающем устройстве интенсивного действия, которое представляет собой гидродинамическую мешалку, состоящую из ротора с турбинами переменного сечения.
Ключевые слова: вода, механическая активация воды, гелевая структура, цементный камень, гидросиликат кальция, цементное вяжущее.
Вода обладает довольно сложной структурой, несмотря на элементарность ее химического состава. Известно, что возникновение водородной связи в молекуле воды связано со свойствами его атома [1]. Такая особенность водородного атома в молекуле воды обусловлена тем, что, отдавая свой единственный электрон на образование кова-лентной связи с кислородом, он остается в виде ядра очень малого размера, почти лишенного электронной оболочки.
При высокоскоростной механической активации воды в гидродинамической мешалке происходит изменение ее структуры, что приводит к повышению значения pH. Изменение значения pH, по всей вероятности, связано с протеканием реакции разложения ионов воды по схеме [2]:
e+H2O ^ H2O*+e (1)
H*+OH
OH+OH ^ H2O2 (2)
Такая реакция разложения ионов воды имеет место при подводе внешней энергии. Данная реакция может протекать при высокоскоростном ударном и кавитационном воздействии на молекулу воды.
Установлено, что значения pH воды связано со скоростью ее механической активации. С увеличением скорости механической активации (перемешивания) значение pH возрастает (рис. 1). Характерным является и то, что величина pH сохраняется при достаточно долгом хранении активированной воды в закрытом сосуде (рис. 2).
Сохранение значения pH воды при ее длительном хранении свидетельствует о том, что релаксационные процессы в механоактивированной воде протекают медленно. Даже при 6-месячном хранении воды в закрытом сосуде ее pH не меняется. Иная картина имеет место при активации воды в магнитном поле [3].
Состав цементного вяжущего представляет собой совокупность различных минералов, которые, взаимодействуя с водой, образуют гидросиликатные группы. Одним из основных минералов в цементном вяжущем является CaO. Этот оксид, взаимодействуя с водой в процессе затворения, образует гидросиликат кальция Ca(OH)2 порис-
© Гуюмджян П.П., Ветренко Т.Г., Ладаев Н.М., Зиновьева Е.В., 2011
117
2/2012
той гелевой структуры. Гелевая составляющая гидросиликата кальция (С—Б—Н) представляет собой совокупность сферических частиц с размерами 5-4 им (рис. 3).
рн
200 400 600 800 1000 1200 1400 1600
скорость вращения (об./мин.)
-дистиллированная вода
-водопроводная вода
Рис. 1. Изменение рН воды от скорости обработки
рн 10
0 10 20 30 40 50
время(мин.)
29.11.2006 18.01.2007 09.03.2007 28.04.2007 17.06.2007
время (мес.)
Рис. 2. Изменение рН воды от длительности хранения
C-S-H
Рис. 3. Структура гидросиликатного геля [4]
От количества гелевидной фазы зависят физико-механические свойства цементного камня. При взаимодействии воды с цементным вяжущим в процессе твердения цементного камня последняя распределяется по трем основным направлениям. Часть воды расходуется на образование химической связи, другая — на подавление гелевидной фазы, третья остается в свободном состоянии. От процентного распределения этих составляющих зависит прочность цементного камня.
Строительное материаловедение
Если допустить, что частицы оксида кальция также имеют сферическую форму, то процесс взаимодействия с водой, двигающейся с большой скоростью, должен привести к образованию на его поверхности гелевой структуры (рис. 4).
гелевая структура оксид кальция
Гелевая структура гидросиликата кальция (C-S-H) является пористой и непрочной, а потому легко может быть удалена потоком воды, двигающейся с большой скоростью. Разрушение гелевой структуры будет происходить и под действием кавитаци-онных явлений. В результате постоянного возникновения на поверхности оксида кальция гелевой структуры и ее удаления произойдет накопление в водно-цементной суспензии сверхтонких частиц.
Причем такое накопление будет иметь место не только за счет образования геле-видной фазы на поверхности цементного зерна, но и за счет уменьшения размеров частиц самого вяжущего вещества. Учитывая, что средний размер частиц цемента составляет 20...25 мкм, то в результате его взаимодействия с водой этот показатель уменьшается во много раз. Таким образом происходит обогащение водно-цементной суспензии частицами наноразмеров.
При высокоскоростном взаимодействии частиц цементного вяжущего с водой на поверхности их контакта протекают реакции растворения кристаллов безводных минералов. В результате их происходит насыщение воды затворения ионами Ca2+, SO42-, OH-, K+, Na+ и т.д. Ионный состав воды резко меняется, происходит обогащение группой OH. Наличие в составе цементно-водной суспензии этих ионов оказывает положительное влияние на механические характеристики цементного камня. Предлагаемый способ модифицирования (механической активации) цементно-водной суспензии позволяет за счет сокращения расхода цемента снизить себестоимость бетона. Проведение исследования прочностных характеристик цементного камня показали, что за счет механической высокоскоростной обработки вяжущего с водой можно повысить механические свойства бетона на 25.30 %.
Библиографический список
1. Зацепина Г.Н. Физические свойства и структура воды. 2-е изд., перераб. М. : Химия,
1987.
2. Усманов С.М. Радиация : справочные материалы. М. : ВЛАДОС, 2001.
3. Харитонов A.M. Структурно имитационное моделирование в исследованиях свойств цементных композитов : автореф. дисс. ... д-ра техн. наук. СПб. : СПГАСУ, 2009.
4. Влияние высокоскоростной обработки воды в водно-цементной суспензии на свойства бетона / П.П. Гуюмджян, Е.А. Расцветова, Т.Г. Ветренко, Ф.А. Ваганов // Вестник МГСУ. 2009. № 2. С. 146—152.
Поступила в редакцию в декабре 2011 г.
Об авторах: ¡Гуюмджян Перч Погосович| — доктор технических наук, профессор, профессор кафедры производства строительных материалов, ФГБОУ ВПО «Ивановский государственный архитектурно-строительный университет»;
Research of building materials
119
ВЕСТМГ 2/2012_
Ветренко Татьяна Григорьевна — кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры гидравлики, водоснабжения и водоотведения, ФГБОУ ВПО «Ивановский государственный архитектурно-строительный университет», Россия, 153037, г. Иваново, ул. 8 Марта, д. 20, (4932) 32-85-40, факс (4932) 30-00-74, [email protected];
Ладаев Николай Михайлович — кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры производства строительных материалов, ФГБОУ ВПО «Ивановский государственный архитектурно-строительный университет», Россия, 153037, г. Иваново, ул. 8 Марта, д. 20, (4932) 41-39-06, факс (4932) 41-39-06, [email protected];
Зиновьева Екатерина Витальевна — старший преподаватель кафедры теплогазоснабже-ние и вентиляции, ФГБОУ ВПО «Ивановский государственный архитектурно-строительный университет», Россия, 153037, г. Иваново, ул. 8 Марта, д. 20, (4932) 38-40-20, факс (4932) 30-00-74, [email protected].
Для цитирования: Взаимодействие механоактивированной воды с цементным вяжущим / П.П. Гуюмджян, Т.Г. Ветренко, Н.М. Ладаев, Е.В. Зиновьева // Вестник МГСУ. 2012. № 2. С. 117—120.
P.P. Gujumdzhjan, T.G. Vetrenko, N.M. Ladaev, E.V. Zinov'eva INTERACTION OF MECHANICALLY ACTIVATED WATER WITH THE CEMENT BINDING AGENT
The article presents the procedure of interaction between the water and the particles of the cement binding agent, if subjected to high-speed processing inside an intensive mixing device that represents a hydrodynamic stirrer composed of a rotor and variable section turbines. The proposed method of modification (mechanical activation) of the cement and water suspension makes it possible to reduce the cost of concrete due to reduction of the cement consumption rate. The research of strength-related properties of the cement stone has proven that high-speed mechanical processing of the binding agent, if mixed with the water, may improve mechanical properties of concrete by 25 to 30 %.
Key words: water, mechanical activation of water, gel structure, cement stone, calcium hydrosilicate, cement binding agent.
References
1. Zacepina G.N. Fizicheskie svojstva i struktura vody [Physical Properties and Structure of Water], 2nd edition. Moscow, Himija, 1987.
2. Usmanov S.M. Radiacija: spravochnye materialy [Radiation: Reference Materials]. Moscow, VLADOS, 2001.
3. Haritonov A.M. Strukturno imitacionnoe modelirovanie v issledovanijah svojstv cementnyh kom-pozitov [Structural Simulation as Part of Research of Properties of Cement Composites]. Author's abstract of the dissertation for the title of the doctor of technical sciences, St.Petersburg, PGASU, 2009.
4. Gujumdzhjan P.P., Rascvetova E.A., Vetrenko T.G., Vaganov F.A. Vlijanie vysokoskorostnoj ob-rabotki vody v vodno-cementnoj suspenzii na svojstva betona [Impact of High-Speed Processing of Water and Cement Suspension onto Concrete Properties], Vestnik MGSU [Proceedings of Moscow State University of Civil Engineering], 2009, Issue # 2, pp. 146—152.
A b o u t t h e a u t h o r s: ¡Gujumdzhjan Perch Pogosovich |— Doctor of Technical Sciences, Professor, Department of Production of Building Materials, Ivanovo State University of Architecture and Civil Engineering;
Vetrenko Tat'jana Grigor'evna — Candidate of Technical Sciences, Associated Professor, Department of Hydraulics, Water Supply and Sanitation, Ivanovo State University of Architecture and Civil Engineering, 20 March 8 St., Ivanovo, 153037, Russia, [email protected], 8 (4932) 32-85-40;
Ladaev Nikolaj Mihajlovich — Candidate of Technical Sciences, Associated Professor, Department of Production of Building Materials, Ivanovo State University of Architecture and Civil Engineering, 20 March 8 St., Ivanovo, 153037, Russia, [email protected], 8 (4932) 41-39-06;
Zinov'eva Ekaterina Vital'evna — Senior Lecturer, Department of Heat, Gas Supply and Ventilation, Ivanovo State University of Architecture and Civil Engineering, 20 March 8 St., Ivanovo, 153037, Russia, [email protected], 8 (4932) 38-40-20.
F o r c i t a t i o n: Gujumdzhjan P.P., Vetrenko T.G., Ladaev N.M., Zinov'eva E.V. Vzaimodejstvie meha-noaktivirovannoj vody s cementnym vjazhuschim [Interaction of Mechanically Activated Water with the Cement Binding Agent]. Vestnik MGSU [Proceedings of Moscow State University of Civil Engineering], 2012, Issue # 2, pp. 117—120.
