ДОНБАСЬКА ДЕРЖАВНА АКАДЕМІЯ

БУДІВНИЦТВА І АРХІТЕКТУРИ

УДК 666.972.03.5(088.8)

ШАМРІНА Галина Вікторівна

ЦЕМЕНТНІ БЕТОНИ, АКТИВОВАНІ

В ЕЛЕКТРИЧНОМУ ПОЛІ НА СТАДІЇ ПЕРЕМІШУВАННЯ

05.23.05 - Будівельні матеріали та вироби

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Макіївка – 2001

Дисертацією є рукопис.

Роботу виконано на кафедрі технологій будівельних матеріалів, виробів та автомобільних доріг Донбаської державної академії будівництва і архітектури Міністерства освіти і науки України.

Наукові керівники: доктор технічних наук, професор кафедри технологій будівельних матеріалів, виробів та автомобільних доріг

Матвієнко Василь Андрійович , Донбаська державна академія будівництва і архітектури; кандидат технічних наук, доцент кафедри технологій будівельних матеріалів, виробів та автомобільних доріг Зайченко Микола Михайлович, Донбаська державна академія будівництва і архітектури.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Вировий Валерій Миколайович, завідувач кафедри виробництва будівельних конструкцій Одеської державної академії будівництва і архітектури;

доктор хімічних наук, професор Плугін Аркадій Миколайович, завідувач кафедри будівельних матеріалів, конструкцій і споруд Харківської державної академії залізничного транспорту.

Провідна установа: Харківський державний технічний університет будівництва і архітектури Міністерства освіти і науки України кафедра будівельних матеріалів та виробів, м. Харків.

Захист відбудеться “ 27 ” квітня 2001 р. о 13 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д12.085.01 Донбаської державної академії будівництва і архітектури за адресою: 86123, Донецька обл., м. Макіївка-23, вул. Державіна, 2, І навчальний корпус, зал засідань.

З дисертацією можна ознайомитись в бібліотеці Донбаської державної академії будівництва і архітектури: м. Макіївка-23, вул. Державіна, 2, І навчальний корпус.

Автореферат розіслано “ 24 ” березня 2001 р.

Вчений секретар спеціалізованої

вченої ради, к.т.н., доцент А.М. Югов

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Аналіз практики сучасного будівництва свідчить про те, що бетон і залізобетон зберігають за собою пріоритетне місце у загальній структурі виробництва будівельної продукції і мають низку переваг у порівнянні з іншими конструкційними матеріалами. В той же час прогрес будівельної галузі в Україні в сучасних умовах неможливий без широкого впровадження ресурсо- та енергозберігаючих технологій виробництва бетонних і залізобетонних виробів і конструкцій. У зв’язку з цим важливе значення має розробка малоенергоємних способів активації бетонних сумішей, що спрямовані на прискорення процесів гідратації в’яжучого, оптимізацію режимів тверднення, підвищення фізико-механічних та експлуатаційних властивостей бетону. Одним із ефективних способів активації тверднення бетону є застосування електрофізичних дій на бетонну суміш та її окремі компоненти. Дослідженнями в області високовольтної обробки бетонних сумішей в постійному електричному полі встановлено, що за рахунок уведення в електричне коло високоомної ізоляції інтенсифікація процесу тверднення бетону відбувається при незначних витратах електроенергії. При цьому найбільш висока ефективність активації досягається при електрообробці бетонних сумішей в нестаціонарних режимах: в процесі віброущільнення; імпульсної електроактивації розрядами малої потужності. Разом з тим вплив високовольтного змінного електричного поля на бетонну суміш в процесі перемішування, коли суміш зазнає найбільш сильного механічного впливу, не досліджено. Активація в електричному полі на етапі утворювання первинних контактів в’яжучого з водою замішування може істотно змінити “стартові умови” гідратації цементу і формування мікроструктури бетону, а саме: інтенсифікувати процеси масообміну, прискорити зароджування центрів кристалізації, підвищити ступінь гідратації в’яжучого. Це дозволить при незначних витратах енергії на електрообробку підвищити фізико-механічні та експлуатаційні властивості бетону.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Основні дослідження теоретичного і прикладного характеру були виконані в рамках кафедральної держтеми № К -2-5-96 “Композиційні будівельні матеріали підвищеної довговічності на основі відходів промисловості і енергозберігаючі технології їх виробництва”, 01.01.1996-31.12.2000; а також держбюджетної науково-дослідної роботи № 0100U000930 “Встановлення закономірностей модифікування поверхневих властивостей мінеральних дисперсій за допомогою речовин органічного складу з метою вдосконалення структури будівельних матеріалів і виробів конгломератного типу”, замовник – Міністерство освіти і науки України, 2000-2002, що відповідає пріоритетному напрямку розвитку науки і техніки України “Екологічно чиста енергетика та енергозберігаючі технології”.

Метою роботи є розробка малоенергоємного способу активації бетонних сумішей у високовольтному електричному полі на стадії перемішування для отримання бетонів з підвищеними фізико-механічними та експлуатаційними властивостями на основі теоретичних уявлень про роль електроповерхневих явищ при гідратації цементу і експериментального встановлення закономірностей впливу зовнішнього електричного поля на формування структури і властивості бетону.

Задачі досліджень:

-

-

-

-

-

Об’єкт дослідження. В’яжучі системи на основі портландцементу, мономінералів цементного клінкеру, цементно-піщані суміші, дрібнозернисті бетони, бетони на крупному заповнювачі, активовані у високовольтному електричному полі в процесі перемішування.

Предмет дослідження. Закономірності процесів тверднення, фізико-механічні і експлуатаційні властивості електроактивованих в’яжучих систем та цементних бетонів.

Методи досліджень. Встановлення залежності міцності бетону при стиску від параметрів електроактивації на основі математичних методів планування експерименту. Вивчення процесів тверднення в’яжучих систем спеціальними методами: рН-метрія, діелькометрія, пластометрія; резонансно-акустичний; рентгенофазовий, диференційно-термічний аналіз, інфрачервона спектроскопія. Диференційна оцінка порової структури бетону за методикою П.М. Чернявського; вивчення експлуатаційних і деформативних властивостей бетонів з використанням стандартних методик.

Наукова новизна отриманих результатів полягає у наступному:

-

-

-

-

-

Практичне значення отриманих результатів:

-

-

-

-

Особистий внесок здобувача.

Науково обгрунтовано технічне рішення отримання бетону з підвищеними фізико-механічними та експлуатаційними властивостями при активації суміші у змінному високовольтному електричному полі (частота струму 50 Гц) на стадії перемішування; оптимізовано параметри електрообробки (електрична напруга на електродах, тривалість електроактивації, питома площа електродів); встановлено закономірності структуроутворення електроактивованих в’яжучих систем, визначено фазовий склад продуктів тверднення і характеристики порової структури; розроблено рекомендації з електроактивації бетонної суміші у високовольтному електричному полі на стадії перемішування; здійснено випуск дослідної партії багатопустотних плит перекриття на ДВАТ “Завод ЗБВіК”, м. Макіївка.

В публікаціях з співавторами здобувачем виконано наступне: вивчено вплив параметрів електрообробки на міцність бетону [3, 4, 7, 8], досліджено кінетику гідратації та структуроутворення електроактивованих бетонів [1, 2, 3], визначено фазовий склад продуктів тверднення активованих цементних паст [2] і в’яжучих на основі мономінералів цементного клінкеру [6], досліджено інтегральну та диференційну пористість активованих бетонів [5].

Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертаційної роботи доповідались та обговорювались на науково-технічних конференціях: “Професорсько-викладацького складу за підсумками науково-дослідної роботи за 1996-1997 рр. Кримського інституту природоохоронного і курортного будівництва” (м. Сімферополь, 1998 р.), “Індивідуальний житловий будинок” (м. Вінниця, 1998 р.), “Академічні читання” (м. Макіївка, 1998 р.), “Науково-практичні проблеми сучасного залізобетону” (м. Київ, 1999 р.).

Публікації. Результати досліджень опубліковано у 8 друкованих працях: 5 статей у науково-технічних збірниках; 3 – в матеріалах науково-технічних конференцій.

Структура і обсяг роботи. Дисертаційна робота складається з вступу, п’яти розділів, загальних висновків, списку використаних джерел з 156 найменувань на 14 сторінках і 3 додатків на 14 сторінках. Робота викладена на 152 сторінках. Містить 124 сторінок основного тексту, 38 рисунків, 27 таблиць, 15 повних сторінок з рисунками і таблицями.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обгрунтовано актуальність теми, сформульовано мету і задачі досліджень, наведено основні наукові результати, показано їх практичне значення.

У першому розділі проведено аналітичний огляд досліджень з вивчення впливу електрофізичних дій на процеси гідратації та структуроутворення в’яжучих систем.

Дослідженню механізму гідратації в’яжучих, формування структури та її впливу на властивості бетону присвячено праці відомих вітчизняних та іноземних вчених: В.І. Бабушкіна, Ю.М. Баженова, В.М. Вирового, І.Г. Гранковського, О.П. Мчедлова-Петросяна, О.О. Пащенка, А.Ф. Полака, В.Б. Ратінова, П.А. Ребіндера, М.М. Сичова, В.В. Тімашова, О.В. Ушерова-Маршака, О.Є. Шейкіна, V.R.H.F.W.та ін. Встановлено, що тверднення в’яжучих речовин супроводжується комплексом фізико-хімічних та електричних явищ: адсорбція води за дисоціативним механізмом, масообмін на межі поділу твердої та рідкої фаз, поділ зарядів і утворення подвійного електричного шару (ПЕШ).

Формування структури тверднення відбувається внаслідок міжчасткових взаємодій, обумовлених переважно електроповерхневими нерівноважними силами, водневим зв’язком, структурними особливостями межових шарів рідини (Б.В. Дерягін, І.Ф. Єфремов). При цьому підкреслюється важливість високої активності гідратації початкового періоду, який триває 3…5 хвилин, тому що надалі настає стадія автокаталізу внаслідок розгалужування по поверхні гідратів дисоціативної адсорбції молекул води (М.М. Сичов).

Важлива роль будови ПЕШ і поляризації води замішування у процесах гідратації і формування структури цементного каменю зумовлює можливість впливу на гідратаційну активність та електростатичну взаємодію у системі шляхом зовнішніх електрофізичних дій на бетонну суміш та її вихідні компоненти (О.П. Мчедлов-Петросян, М.М. Сичов).

В теоретичних та експериментальних роботах, що виконані під керівництвом професора В.А. Матвієнка, встановлено оптимальні параметри та умови електрообробки (висока напруга та низька щільність струму), що забезпечують високу ефективність активації при незначних витратах електроенергії. Проте, слід зазначити, що розроблені способи активації на різних технологічних переділах проводились за стаціонарними схемами електрообробки, тобто при незмінному положенні бетонної суміші відносно силових ліній постійного електричного поля. В даному випадку, окрім позитивного ефекту ущільнення упакування частинок в цементному тісті та посилення міжчасткових контактів, явище структурування у в’яжучій системі призводить до утворення міграційних капілярів і може негативно вплинути на фізико-механічні властивості цементного каменю. Не реалізовано також повною мірою можливий ефект інтенсифікації гідратаційних процесів, пов’язаний з появою обмінних струмів на міжфазовій межі внаслідок концентраційної поляризації ПЕШ дисперсних частинок (С.С. Духін, В.М. Шилов), тому що їх виникнення можливе тільки в момент вмикання джерела постійної напруги (рис. 1).

В той же час відомо, що дія змінного електричного поля низької частоти на дисперсні в’яжучі системи спричиняє появу інтенсивних дифузійних потоків іонів в межах ПЕШ і поза його межами, що сприяє деструкції поверхневих плівок новоутворень та забезпечує більш інтенсивне винесення продуктів гідратації з поверхні частинки в об’єм (А.М. Плугін, А.І. Бірюков). Це приводить до інтенсифікації процесів тверднення, підвищення ступеня гідратації цементу.

Рис. 1. Схема концентраційної поляризації ПЕШ на межі поділу C3S-Н2О в електричному полі на основі моделі С.С. Духіна – В.М. Шилова.

В процесах орієнтаційної поляризації важливу роль має напрямок силових ліній зовнішнього електричного поля: при перпендикулярному їх розміщенні відносно поверхні збільшується кількість центрів кристалізації та прискорюється швидкість їх зароджування, при паралельному напрямі – виникає дезорієнтація приповерхневого шару. Очевидно, в більшій мірі позитивний вплив поляризації на процеси масообміну, зародження гідратних фаз, а також на кінетику структуроутворення в’яжучої системи буде виявлятися при електроактивації бетонної суміші в змінному високовольтному електричному полі в процесі перемішування, коли орієнтація цементних частинок і їх ПЕШ безперервно змінюється відносно силових ліній поля (рис. 2 а, б).

Рис. 2. Поляризація ПЕШ на міжфазовій межі (C3S – Н2О) в постійному (а) та змінному (б) електричному полі при перемішуванні в’яжучої системи:

1 – поляризація ПЕШ частинки і поява обмінних струмів в момент вмикання джерела постійного електричного струму;

2 – переполяризація ПЕШ частинки після зміни її просторової орієнтації відносно електродів при перемішуванні;

3 – пульсівна поляризація ПЕШ внаслідок сумарної дії змінного електричного поля і механічного переміщення при перемішуванні;

4 – ізольовані електроди;

5 – бетонозмішувач.

Виходячи з аналізу відомих робіт в області електроактивації в’яжучих систем та фундаментальних досліджень поведінки дисперсних систем під впливом електричного поля, сформульовано такі теоретичні передумови механізму інтенсифікації процесів гідратації в’яжучого і структуроутворення бетону при обробці бетонної суміші у високовольтному електричному полі на стадії перемішування:

- явище пульсівної деформації ПЕШ цементної частинки внаслідок його змінної поляризації, що виникає в змінному електричному полі низької частоти та при змінюванні орієнтації частинки відносно силових ліній електричного поля в процесі механічного перемішування, приведе до прискорення процесів масообміну на міжфазовій межі (розчинення, зародкоутворення);

- поява в приповерхневому шарі на межі поділу фаз під впливом змінного електричного поля коливальних рухів диполів та іонів в рідкій фазі приведе до збільшення розірваних водневих зв’язків, підвищення активності води і буде сприяти більш рівномірному розподілу її на поверхні частинок цементу;

- явище електрокоагуляції повинно посилити енергію зв’язку в первинних міжчасткових контактах.

Таким чином, перераховані процеси і явища мають сприяти виникненню нерівноважних умов у в’яжучій системі, збільшенню ступеня гідратації цементу та формуванню більш щільної мікроструктури бетону з підвищеними фізико-механічними та експлуатаційними властивостями.

В другому розділі наведено характеристики матеріалів і методів експериментальних досліджень. Як вихідні компоненти для приготування досліджуваних сумішей використовували:

- в’яжучі: мономінерали цементного клінкеру (C3S і C3A), портландцемент ПЦ І-400, пластифікований портландцемент М500 Амвросіївського цементного комбінату “Донцемент”;

- заповнювачі: кварцовий пісок (Мк = 1,15…1,3), гранітний щебінь (фракція 5…20 мм);

- поверхнево-активні речовини (ПАР): суперпластифікатор “Дофен”, пластифікатор фенолоспиртовий “ПФС”.

Електрообробка бетонної суміші виконувалась у лабораторному змішувачі примусової дії (частота обертання лопатевих валів – 26 об/хвил, об’єм готового замісу – 10 л) за схемою, наведеною на рис. 3.

Рис. 3. Схема установки електроактивації бетонної суміші на стадії перемішування:

1 – бетонна суміш;

2 – корпус змішувача;

3 – електрод;

4 – ізолювальний екран;

5 – джерело високої напруги.

Електроди закріплені на корпусі змішувача і ізольовані від нього та від бетонної суміші шаром діелектрика у вигляді листа текстоліту завтовшки 1,5 мм. На бетонну суміш від джерела високої напруги подавалось електричне поле: постійне, змінне (частота струму 50 Гц), випрямлене однополуперіодне. Параметри току контролювали мікроамперметром (сила струму, А) та кіловольтметром (напруга струму, В) і задавали у змінному полі за допомогою автотрансформатора, регулюючи напругу на первинній обмотці.

Ефективність електрообробки оцінювали порівнянням границі міцності при стиску активованих зразків-кубиків (sакт) із цементного каменю (розмір ребра 210-2 м) або бетону (розмір ребра 7,0710-2 м) і контрольних зразків ідентичного вмісту (sконтр):

(1).

В роботі використано математичні методи планування експерименту і статистичного аналізу: повний факторний експеримент 2k, статистичний аналіз однорідності результатів випробувань і адекватності математичних моделей.

Структуроутворення при твердненні в’яжучих систем досліджували з використанням резонансно-акустичної установки ІГ-1Р і пластометра МДУ.

Фазовий склад продуктів тверднення в’яжучих систем вивчали з використанням дериватографічного та рентгенофазового аналізів, інфрачервоної спектроскопії.

Порову структуру цементного каменю та бетону досліджували методом гідродинамічної порометрії. Фізико-механічні властивості бетону визначено за стандартними методиками.

В третьому розділі містяться результати експериментальних досліджень впливу параметрів електрообробки на міцність бетону.

Встановлено, що зростання напруги до 3…6 кВ в змінному і до 5…25 кВ в постійному електричному полі приводить до істотного підвищення границі міцності бетону на стиск (рис. 4).

Рис. 4. Залежність приросту міцності бетону, активованого в змінному (а) і постійному (б) електричному полі, від величини електричної напруги.

Результати досліджень впливу електричного поля на нерухому бетонну суміш відразу після приготування і бетонну суміш в процесі перемішування показали, що електрообробка нерухомої бетонної суміші в постійному електричному полі призводить до зниження міцності бетону до 20…25%. Імовірно, це пов’язано з посиленням структурування в системі внаслідок електроорієнтаційних процесів та “заморожуванням” гідратаційної активності в’яжучого на ранньому етапі. В найбільшій мірі ефект підвищення міцності (до 40%) виявляється при поєднанні зовнішнього високовольтного змінного електричного поля з механічною дією на бетонну суміш під час перемішування. При електрообробці перемішуваної бетонної суміші виникає механічна переорієнтація поляризованих дисперсних частинок відносно вектора прикладеного поля, внаслідок змінної поляризації ПЕШ його будова безперервно змінюється, виникають потоки іонів, що прискорюють процеси розчинення і гідратації. Зазначені явища істотно посилюються пульсівною деформацією ПЕШ, що виникає під впливом змінного високовольтного електричного поля. Це сприяє збільшенню кількості взаємних контактів, формуванню більш щільної мікроструктури і, як наслідок, підвищенню міцнісних властивостей цементного каменю.

При оптимізації параметрів електроактивації було використано повний план експерименту 23. Як змінні фактори прийнято: Х1 – напруга, що подається на електроди; Х2 – питома площа електродів (відношення площі електродів до об’єму оброблюваної суміші); Х3 – тривалість електричної дії. Значення факторів варіювали у наступних межах: Х1 – (3…6 кВ) для змінного і (5…25кВ) для постійного електричного поля; Х2 – (2,0…3,4 м2/м3); Х3 – (60…180 с).

При постановці плану експерименту обрано область значень напруги, одержаних в результаті однофакторного експерименту (рис. 4). Вибір даного діапазону дозволить дістати точнішу математичну модель для опису поведінки міцнісних властивостей електроактивованого бетону. На основі розрахунків, виконаних на ПЕОМ (програма “Астат 2.0”) з урахуванням оцінки значимості коефіцієнтів, отримано наступні рівняння регресії:

при активації в змінному електричному полі

sст = 12,8 + 0,46Х1 + 0,62Х2 + 0,74Х3 (2);

при активації в постійному полі

sст = 11,6 + 0,41Х2 + 1,2Х3 (3).

При обробці в змінному електричному полі вплив факторів Х2 і Х3 на міцність бетону практично рівноцінний, тим часом як при активації в постійному електричному полі міцність в більшій мірі залежить від фактора Х3. При тривалішім перемішуванні бетонної суміші під дією постійного електричного поля ефективність електрообробки істотно підвищується, що підтверджує припущення про те, що активація процесів гідратації пов’язана зі змінною поляризацією ПЕШ при механічній переорієнтаціі дисперсної частинки в’яжучого відносно силових ліній електричного поля.

Надалі дослідження провадились при встановлених оптимальних параметрах електрообробки: напруга – 6 кВ при подаванні змінного поля, 25 кВ – постійного; питома площа електродів – 3,4 м2/м3; тривалість електрообробки – 180 с.

Встановлено, що відносна зміна приросту міцності електроактивованого дрібнозернистого бетону зростає при збільшенні водоцементного відношення (В/Ц=0,4…0,6). Підвищення під впливом електричного поля активності води приводить до того, що надлишок рідкої фази інтенсивніше зв’язується в гідрати, а зростання кількості взаємних контактів сприяє зменшенню міжзернового простору, і утворюється більш однорідна структура матриці бетону.

Електрообробка бетонних сумішей з низькою витратою води (В/Ц=0,4), яка малоефективна у відсутності добавок ПАР, із застосуванням суперпластифікатора “Дофен” дозволяє підвищити міцність бетону на 36% при обробці в змінному електричному полі і на 29% - в постійному. Ефект приросту міцності електроактивованого бетону на крупному заповнювачі, що тужавів в нормально-вологісних умовах, спостерігається тривалий час (до 90 діб) при активації в змінному електричному полі і не зберігається при активації в постійному полі.

В четвертому розділі наведено результати досліджень фізико-хімічних процесів тверднення в’яжучих систем, електроактивованих в процесі перемішування, фізико-механічних та експлуатаційних властивостей активованих бетонів.

Дослідження в’яжучих систем на основі мономінералів цементного клінкеру (C3S і С3А) та портландцементу свідчать, що зміна “стартових” умов тверднення під дією електричного поля – прискорення розчинення, зароджування центрів кристалізації; деформація структури сольватних оболонок, посилення енергії міжчастинкових взаємодій – позначається надалі на процесах гідратації та структуроутворення. Дані змінювання резонансної частоти при твердненні в’яжучих систем показали, що при обробці в змінному електричному полі на початковому етапі формування структури спостерігається зниження пружних властивостей системи, а в постійному – посилення структурування в’яжучих дисперсій. Відзначено, що деструктивні явища в пробах, активованих в змінному електричному полі, відрізняються значно меншою інтенсивністю. Тривалість першої стадії структуроутворення цементно-піщаної суміші (за І.Г. Гранковським) скорочується: на 60 хвилин при активації в змінному електричному полі і на 40 хвилин – в постійному (рис. 5). Зниження пружних властивостей в’яжучих систем, активованих в змінному полі, підтверджує припущення про те, що електродіяння порушує структурування молекул води в гідратних прошарках, що сприяє утворенню близької коагуляційної структури, формуванню стабільних новоутворень. Внаслідок цього при перебудові коагуляційної структури наприкінці першої стадії структуроутворення спостерігається значно менший за абсолютною величиною спад значень резонансної частоти, а при наступному твердненні відбувається більш інтенсивне зростання у порівнянні з контрольними зразками. Кінетика змінювання пластичної міцності цементно-піщаної суміші показує, що з початком інтенсивного зростання пластичної міцності (120 хвилин тверднення) відзначається істотне перевищення її значень для проб, активованих в змінному електричному полі.

Підвищення гідратаційної активності під впливом електричного поля відбивається на складі продуктів тверднення. За даними ДТА ступінь гідратації мономінералів цементного клінкеру (C3S і С3А) в електроактивованих зразках вище, ніж в контрольному, на 3…8%. Рентгенофазовий аналіз показав, що змінне електричне поле сприяє більш активному формуванню гідратних фаз в тісті в’яжучого на основі C3S. Результати випробувань на міцність при стиску зразків на основі C3S виявили перевагу активації в змінному електричному полі: приріст міцності активованих в змінному полі зразків у порівнянні з контрольними становить 36%, в постійному – досягає 14%.

Рис. 5. Кінетика змінювання резонансної частоти при твердненні цементно-піщаної суміші (В/Ц = 0,5):

1 – активація в змінному електричному полі;

2 – те ж, в постійному полі;

3 – контрольний зразок.

Для дослідження процесів гідратації на початку тверднення цементного тіста, електроактивованого в процесі перемішування, у відповідності з кінетичними кривими структуроутворення на 20, 60, 100, 140, 180 та 240 хвилинах тверднення були відібрані проби цементного тіста і оброблені ацетоном з подальшим вакуумсушінням для припинення гідратації.

Вивчення процесів гідратоутворення за даними РФА провадилось шляхом порівняння інтенсивності найхарактерніших та сильних дифракційних відбитків з усіх ідентифікованих аналітичних ліній продуктів гідратації в контрольних та електроактивованих пробах. Порівняльний аналіз свідчить, що розвиток процесів тверднення в електроактивованих зразках має характерні особливості і відбувається таким чином (табл. 1). В цементному тісті, електроактивованому на стадії перемішування, прискорюються процеси розчинення, у рідку фазу в більшій кількості надходять іони Са2+. Внаслідок пересичення і під впливом електричного поля активізується зародкоутворення Са(ОН)2, етрингіту, CSH(І) - ( РФА, ІЧС – 20 хвилин тверднення). Це призводить до зменшення концентрації іонів Са2+ (аналіз рідкої фази 10…30 хвилин тверднення). При активації в постійному полі інтенсифікація гідратоутворення етрингіту і гідроксиду кальцію в цей період виявляється в дещо більшій мірі, ніж при активації в змінному полі.

Внаслідок того, що виниклі в більшій кількості гідрати екранують поле вихідних частинок, а також в результаті розупорядкування структури водної оболонки під впливом електричного поля слабішає структурованість системи, знижуються її пружні властивості (змінювання резонансної частоти 20…80 хвилин тверднення). В цей період при активації в змінному полі настає зближування гідратних новоутворень за рахунок зменшення ступеня гідроксилювання їх поверхневих центрів (ІЧС). В період 60…140 хвилин відбуваються поступові, без

Таблиця 1

Порівняльний аналіз процесів гідратоутворювання

при твердненні електроактивованих цементних паст

Метод дослідження | Назва показникаЗміна показника (в % до контрольного зразку).

- активація в змінному електричному полі,

- те ж, в постійному полі

Рентгенофазовий аналіз | Інтенсивність дифракційних піків:

аліт, d = 0,176 нм

етрингіт,

d = 0,221 нм

Са(ОН)2,

d = 0,263 нм

CSH (I),

d = 0,28 нм

ІЧ-спектроскопія | Зміна інтенсивності ліній поглинання:

900 – 1100 см-1

3200- 3700 см-1

Аналіз іонного складу рідкої фази | Зміна концентрації іонів Са2+, мекв/л

Термогравіметричний аналіз (240 хвилин тверднення) | Втрати маси, в % до контрольного зразку | Температурний інтервал, оС | Активація в електричному полі

змінному | постійному

25-230 оС | 10 | 80

415-455 оС | - | 12

660-750 оС | 15 | 9

різких коливань процеси розчинення (аналіз рідкої фази, РФА), гідратоутворення (РФА, ІЧС), розвиток просторової структури (змінювання резонансної частоти). Надалі (інтервал 140…240 хвилин) настає різке прискорення гідратоутворення (РФА, ДТА, ІЧС) у порівнянні з контрольним зразком. При активації в змінному полі утворення зародків гідросилікатів кальцію відбувається інтенсивніше, ніж в зразку, активованому в постійному полі.

Дослідження складу продуктів тверднення провадилось на цементному камені, що тверднув в нормальних вологісних умовах і при ТВО. Методами РФА, ДТА та ІЧС встановлено, що активація в змінному електричному полі сприяє більш інтенсивному утворенню низькоосновних гідросилікатів кальцію. Приріст міцності цементного каменю, активованого в змінному полі, становить 29%, в постійному полі 18% у порівнянні з контрольним зразком.

Зміна початкових умов гідратації та формування структури цементного каменя під впливом електричного поля відбивається на його поровій структурі. Електроактивація бетону в змінному полі сприяє більш щільному упакуванню дисперсних частинок, що забезпечує зниження відкритої пористості бетону (7,05% у порівнянні з відкритою пористістю контрольного зразка 8,56%). При активації в постійному полі відкрита пористість збільшується до 9,6%.

Змінюється також характер диференційного розподілу пор в активованому бетоні (рис. 6). Встановлено, що електроактивація в змінному полі призводить до зменшення кількості крупних пор з радіусом R =10-3…10-4,5м і збільшенню об’єму дрібних пор з радіусом R=10-5,5…10-7м при зміщенні максимальних значень пористості в область менших радіусів. При активації в постійному полі збільшується кількість як дрібних, так і крупних пор. Зміна порової структури внаслідок електроактивації бетонної суміші на стадії перемішування відбивається на експлуатаційних властивостях бетону: підвищенні морозостійкості на 20…30 циклів, зниженні деформацій усадки при висушуванні на 30…35%.

Рис. 6. Диференційний розподіл пор в бетоні:

1 – активація в змінному електричному полі;

2 – те ж, в постійному полі;

3 – без активації.

В п’ятому розділі наведено дані про випробування в промислових умовах (ДВАТ “Завод ЗБВіК”, м. Макіївка) та оцінка економічної ефективності активації бетонних сумішей в високовольтному змінному електричному полі на стадії перемішування. Інтенсивне гідратоутворення та зростання пластичної міцності активованих бетонних сумішей створюють передумови для скорочення тривалості ізотермічного прогрівання бетонних виробів. Дані досліджень показали, що для досягнення відпускної міцності тривалість ізотермічної витримки скорочується на 2…2,5 години. Це дозволяє зменшити витрати теплової енергії при тепловологісній обробці, прискорити оборотність форм при виробництві бетонних та залізобетонних виробів і підвищити продуктивність технологічних ліній на 10…15%.

При виготовленні дослідно-промислової партії багатопустотних плит перекриття (бетон М300) встановлено, що активація бетонної суміші в високовольтному змінному електричному полі приводить до збільшення границі міцності бетону при стиску на 20%, зменшення водопоглинання на 0,6% за масою. Це дозволяє економити близько 50 кг цементу на 1 м3 бетону.

Порівняння ефективності способу електроактивації бетонної суміші на стадії перемішування з розробленими раніше способами показує, що його застосування дозволяє отримати найбільший приріст міцності на одиницю енерговитрат (табл. 2).

Таблиця 2

Характеристики способів електроактивації бетонних сумішей

Спосіб електроактивації | Характеристики способів електроактивації

електрична напруга, кВ | тривалість обробки, хвилин | питомі витрати електроенергії, ВАгод.м-3 | відносний приріст міцності бетону, %

1. В процесі перемішування бетонної суміші | 3…6 | 2…3 | 1,2…1,5 | 20…40

2. В процесі віброущільнення | 3…7 | 2…5 | 1,5…2 | 20…40

3. При витримуванні виробів перед ТВО | 15…20 | 15…120 | 150…200 | 15…25

4. Імпульсна електроактивація свіжовідформова-них виробів | 16…24 | 1…2 | 200…250 | 20…40

Техніко-економічні розрахунки показали можливість зниження собівартості продукції при застосуванні електроактивації на 9,7 грн/м3 бетону. За результатами досліджень та дослідно-промислових випробувань розроблено “Рекомендації з електроактивації бетонної суміші на стадії перемішування”.

ВИСНОВКИ

1. Розроблено спосіб активації бетонних сумішей в високовольтному змінному електричному полі на стадії перемішування, який при незначних витратах електроенергії (1,2…1,5 ВАгодм-3) дозволяє отримати цементні бетони з підвищеними фізико-механічними та експлуатаційними властивостями.

2. Визначено оптимальні параметри електроактивації бетонної суміші в змінному електричному полі (частота струму 50 Гц) в процесі перемішування, що забезпечують максимальний ефект підвищення міцності бетону:

-

-

-

3. Електрообробка приводить до зміни характеру структуроутворенняя в’яжучих систем, а саме: зменшення деструктивних явищ на ранньому етапі тверднення, прискорення структуроутворення на стадії формування конденсаційно-кристалізаційної структури, інтенсивнішого зростання пластичної міцності. Приріст міцності бетону, активованого в змінному електричному полі при оптимальних параметрах електрообробки, становить: при нормальному твердненні – 20%, при ТВО – 30…40%.

4. Встановлено, що активація в високовольтному змінному електричному полі підвищує ступінь гідратації мінералів цементного клінкеру (C3S і C3A) і портландцементу на 10…25%; приводить до збільшення вмісту новоутворень (етрингіту, гідроксиду кальцію, низькоосновних гідросилікатів кальцію) в 1,2…1,5 рази у порівнянні з неактивованими в’яжучими системами.

5. Електроактивація бетонної суміші на стадії перемішування приводить до зниження інтегральної пористості бетону на 20% у порівнянні з контрольними зразками, змінення диференційних характеристик порового простору: зменшення кількості крупних пор (R=10-3…10-4,5м) та збільшення об’єму дрібних пор (R=10-5,5…10-7м). Зміна порової структури сприяє поліпшенню експлуатаційних властивостей бетону: підвищується морозостійкість на 20…30 циклів, зменшуються показники деформацій усадки при висушуванні на 30…35%.

6. Розроблено “Рекомендації з високовольтної електроактивації бетонної суміші на стадії перемішування”. За результатами дослідно-промислових випробувань на ДВАТ “Завод ЗБВіК” (м. Макіївка) встановлено, що електрообробка дозволяє економити цемент до 10%, скоротити тривалість ізотермічного прогрівання на 2…2,5 години, підвищити оборотність форм та продуктивність технологічних ліній на 10…15%.

7. Електроактивація бетонної суміші дозволяє знизити за рахунок економії цементу собівартість 1 м3 бетонної суміші на 8%. Економічний ефект від впровадження способу електрообробки бетонної суміші на стадії перемішування становить 290,9 тис. грн. при річній потужності технологічної лінії з виготовлення багатопустотних плит перекриття 30 тис. м3.

Основні положення дисертації опубліковано в роботах:

1. Шамрина Г.В., Матвиенко В.А. Структурообразование цементно-песчаной смеси, электроактивированной на стадии приготовления / “Композиционные материалы для строительства”. Вестник ДГАСА, 1999. – вып. 99-2(16). – С. 23-25.

2. Шамрина Г.В., Матвиенко В.А., Вешневская В.Г. Влияние электроактивации на развитие раннего периода гидратации цемента / “Композиционные материалы для строительства”. Вестник ДГАСА, 1999. – вып. 99-2(16). – С.19-22.

3. Матвиенко В.А., Шамрина Г.В. Технология электроактивации бетонной смеси / Міжвідомчий наук.-техн. збірник НДІБК “Будівельні конструкції”, 1999. – вип. 50. – С.358-362.

4. Шамрина Г.В., Матвиенко В.А. Влияние параметров электроактивации на прочность мелкозернистого бетона / Ежегодный науч.-техн. сборник ДонпромстройНИИпроекта “Современные проблемы строительства”. - Донецк, 1999. – С. 95-97.

5. Шамрина Г.В., Зайченко Н.М. Интегрально-дифференциальные характеристики поровой структуры электроактивированных бетонов / “Композиционные материалы для строительства”. Вестник ДГАСА, 2000. – вып. 2000-2(22). – С. 34-37.

6. Шамрина Г.В. Твердение вяжущих систем на основе минералов цементного клинкера, электроактивированных в процессе перемешивания / Ежегодный науч.-техн. сборник ДонпромстройНИИпроекта “Современные проблемы строительства”. - Донецк, 2000. – С. 42-48.

7. Шамрина Г.В., Матвиенко В.А. Эффективность электровоздействия на стадии приготовления бетонной смеси / “Індивідуальний житловий будинок” – Матеріали другої республіканської наук. - техн. конференції. – Вінниця, 1998. – С. 91-93.

8. Шамрина Г.В., Матвиенко В.А. Электроактивация мелкозернистой бетонной смеси в переменном электрическом поле / Научно-техническая конференция профессорско-преподавательского состава по итогам научно-исследовательской работы за 1996-1997 годы. Программа и тезисы конференции. - Симферополь, 1998. – С. 99.

АННОТАЦИЯ

Шамрина Г.В. Цементные бетоны, активированные в электрическом поле на стадии перемешивания. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.23.05 – Строительные материалы и изделия. – Донбасская государственная академия строительства и архитектуры Министерства образования и науки Украины, Макеевка, 2001.

Защищается диссертационная работа, содержащая теоретическое и экспериментальное обоснование получения цементного бетона с повышенными физико-механическими и эксплуатационными свойствами за счет малоэнергоемкого способа электроактивации бетонной смеси на стадии перемешивания в переменном высоковольтном электрическом поле (частота тока 50 Гц).

В работе развиваются представления о механизме активирующего воздействия внешнего высоковольтного электрического поля (переменного и постоянного) на процессы гидратации вяжущих систем. Показано, что повышение гидратационной активности, связанное с возникновением обменных токов на границе раздела фаз в результате переменной поляризации ДЭС цементной частицы, способствует повышению физико-механических и эксплуатационных свойств бетона.

Изучено влияние переменного и постоянного электрического поля на прочность бетона на различных технологических этапах. Активация бетонной смеси в стационарном состоянии после перемешивания в постоянном электрическом поле приводит к понижению прочности бетона до 20…25%, что связывается с “замораживанием” гидратационной активности на раннем этапе в результате электроориентационных процессов. При электрообработке перемешиваемой бетонной смеси за счет непрерывной механической переориентации поляризованных дисперсных частиц и их ДЭС относительно силовых линий электрического поля появляются тангенциальные потоки ионов в диффузном слое ДЭС, ускоряющие процессы растворения и гидратации. Указанные явления значительно усиливаются пульсирующей деформацией ДЭС, возникающей под воздействием переменного высоковольтного электрического поля, что способствует повышению степени гидратации вяжущего, улучшению микроструктуры и, как следствие, прочностных свойств цементного камня. Прирост прочности бетона, активированного в процессе перемешивания, достигает 30…40% при обработке в переменном электрическом поле и 25…35% при обработке в постоянном поле.

Получена математическая модель для описания поведения прочностных свойств бетона, подвергнутого электроактивации при перемешивании, и установлены оптимальные параметры электрообработки: напряжение на электродах 6 кВ (при активации в переменном поле), 25 кВ (при активации в постоянном поле); удельная площадь электродов – 3,4 м2/м3, длительность электроактивации – 180 с.

Установлено, что относительное изменение прироста прочности бетона при увеличении водоцементного отношения возрастает, что связано с повышением под влиянием электрического поля активности жидкой фазы и более интенсивным связыванием ее избытка в гидраты, более равномерному ее распределению на поверхности цементной частицы. В результате образуется более плотная и однородная структура матрицы бетона. Электрообработка бетонных смесей с низким содержанием воды, малоэффективная в отсутствии добавок ПАВ, с добавлением суперпластификатора “Дофен” позволяет повысить прочность при сжатии на 36% при обработке в переменном поле и на 25% - в постоянном.

Комплексными исследованиями физико-химических процессов твердения вяжущих систем на основе мономинералов цементного клинкера (С3S и С3А) и портландцемента установлено, что повышение активности массообменных процессов под влиянием высоковольтного переменного электрического поля приводит к ускорению процессов гидратации. Установлено, что с началом интенсивного роста пластической прочности (120 мин твердения) отмечается существенное превышение ее значений для активированных образцов. По данным изменения резонансной частоты отмечено, что воздействие переменным электрическим поле приводит к уменьшению интенсивности деструктивных процессов в ходе структурообразования. Исследования фазового состава продуктов гидратации с применением методов РФА, ДТА и ИКС показали, что электрообработка способствует повышению степени гидратации исходных минералов цементного клинкера (C3S и C3A) и портландцемента на 10…25%; приводит к увеличению содержания новообразований (эттрингита, гидроксида кальция, низкоосновных гидросиликатов кальция) в 1,2…1,5 раза по сравнению с неактивированными вяжущими системами.

Показано, что в результате электрообработки бетонной смеси в переменном электрическом поле снижается интегральная пористость бетона на 20%, происходит перераспределение дифференциальных характеристик порового пространства по их условным радиусам в сторону увеличения доли микропор с R = 10-5,5-7м. Эти отличия способствуют повышению морозостойкости бетона на 20…30 циклов, уменьшению усадки при высушивании на 30…35%.

По результатам исследований разработаны рекомендации по электроактивации бетонной смеси в высоковольтном переменном электрическом поле (частота тока 50 Гц) на стадии перемешивания. Опытно-промышленные испытания показали возможность снижения себестоимости 1 м3 бетона на 8% за счет экономии вяжущего.

Ключевые слова: электроактивация, поляризация, бетонные смеси, перемешивание, вяжущие системы, прочность на сжатие.

АНОТАЦІЯ

Шамріна Г.В. Цементні бетони, активовані в електричному полі на стадії перемішування. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.23.05 – будівельні матеріали та вироби. – Донбаська державна академія будівництва і архітектури Міністерства освіти і науки України, Макіївка, 2001.

Дисертація присвячена рішенню актуальної