Материал: Физико-химические проблемы и высокие технологии строительного материаловедения. Колодяжный С.А
Научный Вестник Воронежского государственного архитектурно-строительного университета
ТЕХНОЛОГИЯ СТРОИТЕЛЬНЫХ ИЗДЕЛИЙ И КОНСТРУКЦИЙ
УДК 691.539.216
В.А. Миронов, В.В. Белов, П.В. Куляев
ПРИМЕНЕНИЕ УЛЬТРАЗВУКОВОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ ДЛЯ УСКОРЕНИЯ СТРУКТУРООБРАЗОВАНИЯ ЦЕМЕНТНЫХ КОМПОЗИТОВ
Структура бетона оказывает большое влияние на прочность и деформативность бетона. Она весьма неоднородна и образуется в виде пространственной решетки из цементного камня, заполненной зернами заполнителя и наполнителя различной крупности и формы, пронизанной большим количеством микропор и капилляров, содержащих химически несвязанную воду, водяные пары и воздух. Для обеспечения большей однородности пространственной структуры бетона применяют различные методы, среди которых ультразвуковое воздействие является одним из наиболее эффективных методов.
Ключевые слова: дисперсные минеральные вяжущие системы, ультразвуковое воздействие, структура
V. A. Mironov, V. V. Belov, P. V. Kulyaev
APPLICATION OF ULTRASONIC PROCESSING FOR ACCELERATION OF
STRUCTURIZATION OF CEMENT COMPOSITES
The concrete structure is known to largely effect the strength and strain in concrete. It is of much heterogeneity and presented as a spacious grid of cement stone, filled with aggregates and fillers of various grain sizes and forms, full of a great amount of micropores and capillaries with chemically unbound water, vapor and air. To ensure more homogeneity of spacious structure ultrasonic processing among other methods is now the most effective.
Keywords: the disperse mineral knitting systems, ultrasonic processing, structure
Изделия из композиционных материалов находят все более широкое применение в строительной практике. При этом важным вопросом в технологии цементных композитов является вопрос повышения их структурной прочности.
В современной отрасли строительной индустрии все шире применяется фундаментальная технология наноструктурирования. Наномодифицирование может выполняться различными способами: химическим – использованием особенностей
реакционной способности отдельных элементов, механическим |
– |
использованием |
виброобработки, ультразвуковой обработки, электромагнитным |
– |
омагничиванием, |
обработкой электроразрядом и другими способами. |
|
|
В настоящее время в технологии изготовления строительных материалов начинает применяться ультразвуковая обработка (УЗО). Она является эффективным методом воздействия на формовочные массы, активизируя процессы формирования структуры и изменяя необходимые свойства [1, 2].
Ультразвуковая обработка бетона может быть выполнена на различных стадиях технологического процесса: на стадии приготовления смеси, на стадии формования и на стадии твердения бетона. Ультразвуковая виброобработка цементного теста активизирует силы внутреннего сцепления между цементными частицами; это способствует формированию компактного пространственной взаиморасположения твердой фазы. Чем плотнее структура цементного камня, тем, при прочих равных условиях, выше его прочность и интенсивнее ее рост во времени.
________________________________________________________________________________
© Миронов В.А., 2016
16
Серия «Физико-химические проблемы и высокие технологии строительного материаловедения» Выпуск № 2(13), 2016
В работе [3] приведены результаты исследования по установлению рациональных параметров УЗО для улучшения физико-механических свойств тяжелого бетона. Было установлено, что кубиковая прочность обработанных образцов на стадии твердения в 1,5 раза выше, чем у необработанных после стандартной выдержки в 28 суток. Однако эффект дополнительного упрочнения проявлялся в основном в поверхностных слоях, при этом с повышением водоцементного отношения глубина проработки значительно возрастала.
Рассмотрим процессы, которые возникают в образце при обработке его ультразвуком, повышающие физико-механические свойства. К ним можно отнести: кавитацию, которая вызывает диспергацию заполнителя и снижения сухих застоев; дегазацию, снижающую процент содержания в сырце газов; микроколебания частиц (микровибрирование), при явлении разонанса улучшается упаковка. С явлением кавитации связан процесс распространения ультразвуковых волн в текучих средах процесс образования полостей (пузырьков) в жидкости с последующим их захлопыванием, что сопровождается интенсивными гидравлическими ударами [4]. Вблизи захлопывающегося пузырька в жидкости могут возникать давления в несколько десятков тысяч атмосфер! Это может привести к разрыву химических связей и ионизации молекул газа. При увеличении вязкости жидкости возрастает ее прочность, что объясняется повышением интенсивности задаваемых ультразвуковых волн, которая обуславливает появление кавитационных пузырьков. Так для водопроводной воды минимальное значение интенсивности звука (частота 15 кГц), необходимой для возбуждения кавитации, равно 0,16-2 Вт/см2. При этом процесс развития кавитации можно усилить введением различных веществ. Ряд исследователей считают, что в процессе развития кавитации разрушается жидкостная сетка, и нарушаются химические связи молекулярных структур, участвующих в образовании этой сетки.
Так как эффект кавитации связан с образованием пузырьков, то интересным является вопрос выяснения особенности проявления кавитации в ячеистых смесях – газобетоне и пенобетоне, объем пор (пузырьков) в которых может достигать 90 %. При этом надо учесть неоднородность распределения и размеров пузырьков в газобетоне и пенобетоне.
В зоне непосредственного воздействия ультразвука происходит наиболее полная диспергация зерен цемента и их гидратация, что характеризует белесый цвет цементного теста в этой зоне. Кавитация возникает в цементном тесте из-за пузырьков воздуха, причем каждой частоте колебаний соответствуют определенные размеры пузырьков. При этом мелкие пузырьки агрегируются, а более крупные дробятся на мелкие. На пути перемещения стоячей волны пузырьки достигают ее узла и перестают пульсировать, создавая преграду для распространения ультразвука, и в тоже время не сливаясь друг с другом из-за адсорбции ионов на поверхности пузырьков и контакта их с зарядами диполей воды. В связи с этим важно правильно выбирать режим УЗ обработки: при мощности источника ниже 150 ВА пузырьков практически не образуется, а более 1500 ВА жидкая смесь газобетона вскипает за 0,25 секунд, усиливая эффект гомогенизации, но аннигилируя эффекты мгновенной кавитации.
Для каждой бетонной смеси при принятых параметрах вынужденных УЗ колебаний существует определенное оптимальное время воздействия, которое можно установить, сравнивая результаты прочности затвердевшего бетона. С увеличением времени УЗ воздействия прочность бетона вначале возрастает, затем для жестких смесей остается постоянной, что связано с максимальным уплотнением смеси, для подвижных смесей при повышении оптимального времени вибрирования прочность начинает падать из-за их расслоения
Учитывая важность вопроса для современного строительства – необходимость повышения эффективности технологии изготовления бетонных изделий из легкого бетона, на кафедре ПСК ТвГТУ были выполнены исследования по оценке влияния фактора ультразвуковой обработки на структурно-механические свойства неавтоклавного поризованного бетона. В нашем случае виброобработка осуществлялась на стадии приготовления смеси.
17
Научный Вестник Воронежского государственного архитектурно-строительного университета
Для исследований готовилась газобетонная смесь, включающая портландцемент, кварцевый песок средней крупности, алюминиевую пудру, известь. После перемешивания и вспучивания через определенное время выполнялась ультразвуковая обработка. Для этого использовался ультразвуковой прибор «Ретона» с частотой задаваемых колебаний 130 кГц. Из приготовленной смеси формовались кубики стандартного размера 100 × 100 × 100 мм на виброплощадке с маятниковой подвеской. Твердение образцов осуществлялось в естественных условиях.
Полученные результаты исследования влияния ультразвуковой обработки на прочность газобетона представлены в таблице.
|
|
|
Таблица. |
|
Результаты влияния ультразвуковой обработки на прочность газобетона |
||||
Использование |
Средняя плотность |
Предел прочности |
Коэффициент |
|
ультразвука |
ρ , кг/ м3 |
при сжатии Rсж , |
конструктивного |
|
|
|
МПа |
качества ККК |
|
|
|
|
|
|
Без обработки |
1300 |
2,7 |
0,21 |
|
С обработкой |
1500 |
4,1 |
0,27 |
|
Как видно из таблицы, коэффициент конструктивного качества поризованного бетона, обработанного ультразвуком, оказался на 23 % выше бетона, не обработанного ультразвуком. Такой существенный рост прочностных показателей бетона можно объяснить
структурными изменениями, в |
частности, за |
счет активации цементного теста |
и |
дополнительного структурного |
упрочнения в |
процессе непрерывного формирования |
|
микрообластей повышенного давления – кавитации от виброколебаний и объемного обжатия пузырьками окружающей структуры. Хотя при этом и происходит определенное повышение плотности системы, положительный эффект от ультразвуковой обработки бетонной смеси явно налицо.
В качестве основных выводов и научных предпосылок повышения эффективности ультразвукового воздействия на упрочнение формирующейся структуры бетона можно отметить следующие:
1.Наиболее эффективным методом ультразвукового воздействия является тот, который создает в растворе колебания с частотой, близкой по частоте с резонансными частотами применяемых частиц цемента, наполнителя и заполнителя.
2.Ультразвуковую обработку следует выполнять по определенному алгоритму изменения частот обработки, в зависимости от композиционного состава материала.
4.Повышение прочностных характеристик бетона в 1,2-1,5 раза указывает на высокую экономическую и техническую эффективность процесса УЗ обработки.
5.Заметное улучшение структуры бетона позволяет установить необходимость более точного определения полосы резонансных акустических частот.
6. Чтобы выявить максимальный эффект от использования УЗО в технологии изготовления легкобетонных изделий целесообразно оценить его комплексное влияние на всех стадиях технологического процесса: на стадии приготовления смеси, на стадии формования и на стадии твердения бетона.
В перспективе применение на практике ультразвукового воздействия может найти при получении всей гаммы бетонов – от обычных традиционных до многокомпонентных и высококачественных, как легких, так и тяжелых. Постепенный переход к более эффективным видам технологических воздействий при получении бетонов будет предопределен необходимостью достижения их более высоких качественных показателей, и соответственно большей конкурентоспособности на строительном рынке, большими возможностями в создании новых видов конструкций, всемерным снижением эксплуатационных затрат и инвестиционных рисков при строительстве сложных инженерных объектов.
18
Серия «Физико-химические проблемы и высокие технологии строительного материаловедения» Выпуск № 2(13), 2016
Список литературы
1. Шахов, С.А. Физико-химические основы создания приборов для определения реологических характеристик формовочных масс активированных ультразвуком / С.А. Шахов, Т.Л. Рудая, Н.С. Ключникова // Международный сборник научных трудов: Проблемы качества строительных материалов и СМК предприятий. Новосибирск: НГАУ, 2011. С. 153-
157.
2. Круглицкий, Н.Н. Ультразвуковая обработка дисперсных глинистых материалов / Н.Н. Круглицкий, С.П. Ничипоренко, В.В. Симуров, В.В. Минченко. Киев: Наукова думка,
1971. 200 с.
3. Абрамов, Л.М. Исследование влияния обработки ультразвуком сверхвысоких частот на структуру и прочность бетона / Л.М. Абрамов, Р.З. Цыбина // Вестник ТГТУ № 13, 2008.
С. 346-348.
4. Эльпинер, И.Е. Ультразвук. Физико-химическое и биологическое действие / И.Е. Эльпинер. М.: Физматгиз, 1963. 420 с.
________________________________________________________________________________
Миронов Вячеслав Александрович: ТвГТУ, президент, заведующий кафедрой автомобильных дорог,
оснований и фундаментов, E-mail: common@tstu.tver.ru.
Белов Владимир Владимирович: ТвГТУ, проректор по инновационному развитию, заведующий кафедрой производства строительных изделий и конструкций, E-mail: vladim-bel@yandex.ru.
Куляев Павел Викторович: ТвГТУ, старший преподаватель кафедры конструкций и сооружений, E-mail: p.kuliaev@yandex.ru. Тел. каф. ПСК – (4822)78-81-55
19
Научный Вестник Воронежского государственного архитектурно-строительного университета
УДК 666.94.002.35
О.Б. Кукина, С.С. Глазков, К.С. Загородных
СИНТЕЗ СТАБИЛИЗАТОРА С НАНОРАЗМЕРНЫМИ ЧАСТИЦАМИ И ВЛИЯНИЕ ИХ НА СВОЙСТВА ЦЕМЕНТОГРУНТА
В работе описывается синтез наноразмерной добавки и результаты исследований ее влияния на микроструктуру и свойства цементогрунта. Исследования проведены с использованием современных спектрометрических и микроскопических методов. Установлен характер структурных процессов, протекающих с участием модифицирующей добавки. Показана, что введение модификатора до 0,05 % обеспечивает рост прочностных показателей на 20-30 % и более высокую водостойкость цементогрунтовых систем.
Ключевые слова: стабилизатор, синтез, наночастицы, цементогрунт.
O.B. Kukina, S.S. Glackov, K.S. Zagorodnyh
SYNTHESISOFSTABILIZER WITH NANOPARTICLES AND THEIR INFLUENCE ON THE PROPERTIES OF CEMENTGROUND
The paper describes the synthesis of stabilizer with nanoparticles and results of studies its effect on the microstructure and properties of cementground. The studies were conducted using modern spectrometric and microscopic methods. The nature of the structural processes that take place with the participation of the modifying agent. It is shown that the introduction of the modifier to 0.05% growth provides strength characteristics by 20-30% and higher water resistance tsementogruntovyh systems.
Keywords: stabilizer, synthesis, nanoparticles, cementground.
Введение. Современный этап развития строительного материаловедения требует использования многокомпонентных, многослойных, многоуровневых материалов с заданным набором свойств, отличающихся структурной и функциональной организацией для получения высокоэффективных строительных композитов. Реализация такого подхода может базироваться на современных принципах формирования структуры, включая наноразмерный масштабный уровень, характеризуемый наличием нанообъектов, которые в силу своей природы отвечают за дисперсионное упрочнение и релаксацию внутренних напряжений, избыточной величиной которых отличаются композиционные материалы.Выполнение данной задачи в настоящее время не представляется без использования эффективных наномодифицирующих добавок.
За последние 25 лет в качестве высокоэффективных модифицирующих добавок находят эффективное применение суперпластификаторы на основе эфиров поликарбоксилатов. В то же время с развитием знаний в области нанотехнологий, среди различных химических добавок на первый план выходят комплексные добавки, содержащие зачастую активные/инертные наноразмерные компоненты.
Цементогрунт - это искусственный каменный материал, представляющий собой затвердевшую смесь грунта, цемента и воды. Монолитность цементогрунта обеспечивается в результате сложных физических, физико-химических и химических процессов, взаимодействия между его компонентами.На данные процессы могут оказывать влияние химические добавки различной природы, в том числе реакционноспособные полимеры и олигомеры, способные к структурированию на наноразмерном уровне [1, 2].
________________________________________________________________________________
© Кукина О.Б., 2016
20