Акустическая технология бетонов

базальтовых волокон, прошедших обработку щелочными растворами, не выявили дефектов их поверхности. Разрывная прочность волокон снизилась на 7-12 % в 40 - суточном возрасте хранения по сравнению с контрольными, и затем к 720 - суточному возрасту хранения предел прочности на разрыв стабилизировался, дальнейшее снижение значения предела прочности волокон не имело места. Механическая прочность и модуль упругости штапельных базальтовых волокон зависят от диаметра элементарного волокна. Модуль упругости штапельного базальтового волокна снижается по мере увеличения его диаметра.

Выводы. Базальтовые волокна обладают повышенной прочностью по сравнению с другими минеральными волокнами. Сравнительный анализ стойкости различных минеральных волокон в изучаемых средах показывает, что базальтовые волокна по своей стойкости уступают только циркониевым волокна.

ИСПОЛЬЗОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА

1. Цементные композиции повышенной коррозионной стойкости, армированные базальтовыми волокнами. Популярное бетоноведение, - № 4-24-2008. С. 38-40.

2. Армирование неорганических вяжущих веществ минеральными волокнами / А. А. Пащенко, В. П. Сербин, А. П. Паславская и др.Под ред. А. А. Пащенко. - М. : Стройиздат, 1988. - 200 с.

3. Пащенко А. А., Сербин В. П. Армирование цементного камня минеральным волокном - К: УкрНИИНТИ, 1970, 45с.

4. Стойкость дисперсной арматуры в портландцементном камне Строительные материалы, № 2, 1991. С. 19-20.

5. Цибуля Ю. Л. Високотемпературш фшьтрувальш i композицшш матерiали на основi неперервних волокон з базальтових прських порщ. Дис. робота на здобуття наук. ступеня -Кив, 2003.

6. Петросян С. Т. Технология изготовления строительных изделий с использованием штапельного базальтового волокна Автореф. Дис. на стиск. уч. степ. - Тбилиси, 1988.

7. Стойкость базальтовых волокон в среде гидратирующих цементов / Ф. Н.Рабинович, В. Н. Зуева, Л. В. Макеева. Стекло и керамша, 2001. №12.- С. 12-14.

8. Мохорт М. А. Теплоiзоляцiйнi i конструкцшш волокнист матерiали на основi лужного алюмосилшатного звязуючого Автореф. дис. на здоб. наук. ступ. - Ки!в, 1997.

УДК 666. 97. 033

АКУСТИЧЕСКАЯ ТЕХНОЛОГИЯ БЕТОНОВ

В. М. Глущенко, проф.

Ключевые слова: кавитация, акустический активатор, дефлокуляция, мицелла, акустическое поле.

Постановка проблемы. Как известно, цемент является полидисперсной системой, содержащей большое количество агрегированных (слипшихся) частиц. При самом совершенном смесительном оборудовании не удается разъединить цементные агрегаты (микрокомки) и перемешать цементное тесто так, чтобы вода была равномерно распределена между всеми зернами цемента для полного вовлечения их в процесс гидратации. Наличие в цементном камне зерен твердой фазы, не вступивших во взаимодействие с водой, значительно снижает прочность бетона и ухудшает другие его свойства. Для более полного использования потенциальных вяжущих свойств портландцемента ранее были предложены сухой и мокрый домол, а также ряд способов обработки цементного теста как в процессе приготовления, так и при укладке (уплотнении) бетонной смеси. В зависимости от свойств среды, в которой находится цемент, и средств воздействия на него способы механической активации реакционной способности цемента могут быть подразделены на три группы:

1) сухой домол в мельницах: шаровых, вибрационных, эксцентриковых, планетарных, противоточных, центробежно-ударных, вихревых;

2) мокрый домол в установках: растворо- и бетононасосах, мельницах с мелющими телами, вибромельницах, скоростных смесителях, специальных активаторах;

3) дезагрегации в волновом силовом поле-вибрационном, ультразвуковом, акустическом

[1].

В процессе хранения цемент слеживается, появляются условия, способствующие агрегированию его частиц, поэтому для реализации потенциальных вяжущих свойств его необходимо сразу же после домола использовать. В этом случае практически не удается гомогенизировать цементное тесто надлежащим образом, так как из-за малых скоростей деформаций, возникающих при его перемешивании, даже в смесителях принудительного действия нельзя предотвратить образование разрозненных цементных агрегатов.

Основной материал. Акустическая технология обычных и цветных бетонов предусматривает раздельное приготовление бетонной смеси, т. е. перемешивание заполнителей с предварительно обработанным в активизаторе цементным тестом. Благодаря этому достигается максимальная гомогенизация смеси; увеличивается при прочих равных условиях ее подвижность, а также повышается плотность, прочность и водонепроницаемость бетона. Особенно эффективна активация для слежавшегося цемента и бетонов на пористых заполнителях.

При сочетании акустической активации цемента с горячим формованием бетонной смеси (термоакустическая активация) более чем в два раза сокращается продолжительность пропаривания бетона. При последующем вызревании пропаренных образцов бетона в естественных условиях в течение 28 суток прочность их почти в разы превышает прочность образцов бетона, твердевших в нормальных условиях. Следовательно, в мощном акустическом поле не только происходит дезагрегация твердой фазы (цемента) и перераспределение воды, но и интенсифицируется процесс диссоциации и обмен ионов минералов цемента. Естественно, что при проявлении волновых эффектов в среде с повышенной температурой процессы, обуславливающие образование и упрочнение кристаллогидратной структуры цементного камня, совершаются быстрее и носят более направленный характер.

Акустическая активация реакционных свойств цементов не имеет недостатков, присущих вибрационной обработке, так как исключатся вредные воздействия акустического поля на людей, обеспечивается устойчивая повторяемость физико-механических свойств бетона, значительно упрощается технологический процесс. Активизаторы просты в изготовлении и долговечны.

Таким образом, акустическая, а тем более термоакустическая активация процесса твердения бетона может быть использована как способ повышения его прочности при данном расходе цемента либо как средство, позволяющее снизить расход вяжущего (практически до 20 %) при заданной прочности бетона. Наибольшая технико-экономическая эффективность процесса активации достигается благодаря значительному сокращению срока термовлажностной обработки изделий, что, в свою очередь, обуславливает увеличение производительности бетоносмесительных узлов и заводов сборного железобетона [1].

При распространении интенсивных акустических колебаний в двухфазных средах (цементное тесто) наблюдается связанный с акустическим давлением эффект, называемый кавитацией, который заключается в следующем. В области разрежения при отрицательном давлении происходит разрыв сплошности жидкости с образованием полого пространства -кавитационного пузырька, который заполнен парами жидкости (воды) и растворенными в ней газами. Давление в кавитационном пузырьке ниже среднего давления окружающей среды.

В области сжатия (положительное давление) пузырек довольно быстро захлопывается. Продолжительность образования и захлопывания пузырьков зависит от частоты акустических колебаний. При захлопывании пузырьков возникает гидравлический удар, сила которого достигает 1 ГПа и более. При развитой кавитации возникает и захлопывается множество пузырьков, что сопровождается характерным шумом (напоминающим шум закипающего чайника), при этом возникает сплошной спектр частот от сотен Гц до сотен кГц. Интенсивные гидравлические удары, сопровождающие захлопывание кавитационных пузырьков, обладают большим разрушающим действием (разрушение гребных винтов, лопаток гидротурбин).

Кавитация же лежит в основе процессов диспергирования, эмульгирования, интенсификации химических реакций и др. При нормальном звуковом давлении жидкости для смыкания газового пузырька диаметром 10-4 м в воде требуется 5 мкс. Таким образом, при частоте в 50 кГц время смыкания пузырька меньше времени образования его на два порядка. Скорость волны сжатия при смыкании пузырька возрастает до сверхзвуковой и при некоторых условиях становится даже больше ее, причем тем больше, чем больше отношение звукового

давления в области сжатия к давлению в области разрежения. Это приводит к образованию ударной сферической волны, значительному локальному повышению температуры и интенсивному выделению энергии в момент захлопывания пузырька.

Кавитация легко генерируется в цементно-водной суспензии высокопластичных концентраций. Зародышами кавитации в данном случае являются цементные зерна. Попадая в воду, они обволакиваются сольватной пленкой, которая в области отрицательного давления воды отслаивается от зерна - в результате создается кавитационная полость [3].

Задача состояла в том, чтобы путем изменения конструкции излучателя акустических (ультразвуковых) знакопеременных колебаний использовать простую и надежную в эксплуатации схему совмещенных активизаторов без разделения процессов перемешивания и активации. Для этого в конструктивной схеме разработанного нами излучателя было предусмотрено запирающее устройство, позволяющее герметично закрывать его центральное выходное отверстие в период загрузки цемента и воды, их перемешивания, а также при аварийном отключении сжатого воздуха.

В излучателе предусмотрены два узла, позволяющие настраивать его на максимальную интенсивность генерируемых колебаний.

Активатор, в котором установлены излучатели, должен выполнять две функции: смешивать цемент с водой до получения однородной массы и возбуждать акустические колебания во всем объеме цементного теста, под влиянием которых в двухфазной среде (цементное тесто) возникают явления кавитации. Изменение структурно-механических свойств цементного камня на основе активированного цементного теста в зависимости от частоты и интенсивности генерируемых колебаний исследовали на образцах - балочках 0,04 х 0,04 х х0,16м.

Частота и интенсивность акустических колебаний находятся в зависимости от избыточного давления Ро в форкамере излучателя, поэтому в данном эксперименте давление на входе в излучатель изменялось в пределах 0,02 х 0,2 МПа. Продолжительность акустического воздействия составляла 2,5; 5 и 7,5 мин. Первые сутки образцы твердели в воздушной среде при 100 % влажности, затем в воде. В возрасте 1, 3, 7, 28, 90 и 180 суток образцы испытывали на изгиб, а их половинки - на сжатие. За 12 часов до испытаний балочки извлекали из воды и помещали в ванну с гидравлическим затвором [2].

Результаты экспериментов по определению влияния продолжительности активации и водосодержания Х = В/Ц/КНГ. цементного теста на прочность сведены в таблицу 1.

Т а б л и ц а 1

Влияние продолжительности активации цемента на прочность цементного камня

X Время активаци и, мин. Предел прочности при сжатии, МПа, в возрасте, сут.

1 3 7 28 90 180

1,65 0 5,2 16 22,4 37,1 50,6 57,1

2,5 6,7 23,1 29,3 54 58 64,4

5 9,2 25,4 32,3 59,8 67,5 71,8

7,5 9,9 27,3 35,1 62,5 69,5 74,9

10 8,7 26,1 35,3 61,4 68,7 75,3

25 8 25,1 33,9 58,7 - 68

45 7,3 24,8 33,2 56,9 - 64,7

1,9 0 3,9 12,7 19,7 31,4 45,4 50,9

2,5 6,3 21 27 44 60,2 63,3

5 8,1 24,3 31,4 47,3 65 68,3

7,5 8,7 27,1 38,4 55 68,4 70,2

10 7,2 25,4 33,8 51,1 64,9 66,7

Из таблицы 1 видно, что относительный прирост прочности цементного камня в результате акустической обработки цементного теста возрастает. С увеличением В/Ц отмечается относительный прирост прочности цементного камня на активированном цементе по

сравнению с контрольными образцами. Максимальное увеличение прочности при сжатии достигается при обработке цементного теста в течение 5 - 7 минут. Дальнейшее увеличение продолжительности активации способствует некоторому уменьшению предела прочности при сжатии. Однако во все сроки твердения прочность активированного цементного камня выше прочности не активированного (контрольного). Это объясняется тем, что в зоне максимального акустического поля сольватированные зерна и флокулы (мицеллы) цемента подвергаются дезагрегации, диспергированию и частичной десольватации. При выходе твердой фазы из активной зоны акустического воздействия и попадании в зону перемешивания силы взаимодействия между зернами возрастают, происходит частичная гомогенизация цементного теста и перераспределение в нем воды. При многократном повторении этого процесса создаются благоприятные условия для дезагрегации цементных флокул (мицелл) и наиболее равномерного перераспределения воды между зернами цемента. Кроме того, в мощном акустическом силовом поле интенсифицируется диссоциация ионов минералов цемента. По сравнению с естественным протеканием этого процесса в адсорбционных слоях воды несколько возрастает концентрация ионов, интенсифицирующих процесс окончания формирования коагуляционной структуры цементного теста, в связи с чем возрастает прочность связей между зернами цемента, увеличивается значение предельного напряжения сдвига т0 и абсолютной вязкости ц, приближается начало схватывания цементного теста и тем значительнее, чем большей будет продолжительность волнового воздействия.

Таким образом, создаются благоприятные условия для образования кристаллогидратных комплексов вокруг частиц цемента. Поскольку при упрочнении системы скорость растворения минералов цемента снижается, то при более высокой начальной концентрации ионного раствора взаимодействие частиц ускоряется, возрастает количество новообразований в единице объема и вследствие перекристаллизации продуктов гидратациии возрастает плотность и прочность активированного цементного камня.

Водопроницаемость бетонов на активированном цементе снижается в 1,15 - 1,25 раза, что благоприятно отражается на морозостойкости бетона.

Бетонные образцы на активированном и неактивированном цементе после 28 суток нормального твердения помещали в воду на 2 суток и затем испытывали на морозостойкость. Температуру воздуха в холодильной установке поддерживали в пределах 254 ± 1 К. Время выдержки образцов в камере 6 час. После каждого цикла замораживания образцы помещали в воду с температурой 293± 2 К, где они оттаивали 18 часов. Морозостойкость контролировали через каждые 25—50 циклов замораживания — оттаивания и определяли по изменению массы образцов, скорости прохождения ультразвука, изменению прочности на сжатие и остаточным деформациям. Линейные деформации измеряли на призмах 0,04 х 0,04 х 0,16 м (с реперами в торцах) с точностью до 1 х 10-6 м. Остальные характеристики - балочках 0,07 х 0,07 х 0,21 м и кубах 0,15 х 0,15 х 0,15 м (состав бетона 1:1; 8:3,7). Результаты исследований приведены в таблице 2. Масса образцов на активированном цементе и контрольном, подвергнутых пропариванию, стабилизируется соответственно к 56 и 28 суток, а образцов нормального твердения - к 150 суткам. Масса контрольных образцов, испытываемых на морозостойкость до 90 циклов, растет, затем из-за мелких отколов на поверхности образцов уменьшается, особенно интенсивно это происходит в контрольных пропаренных образцах. Потери массы образцов на активированном вяжущем, пропаренных и твердевших в нормальных условиях, сравнительно невелики. В пропаренных образцах, как контрольных, так и на активированном вяжущем, подвергнутых воздействию мороза, скорость распространения ультразвука выше, чем в бетонных образцах нормального твердения. После 90 циклов замораживания и оттаивания скорость ультразвука в бетоне снижается вследствие микронарушений его структуры. Коэффициент морозостойкости по изменению скорости ультразвука, прошедшего через пропаренные контрольные и активированные образцы, равен соответственно 0,97 и 0,99, а твердевших в нормальных условиях - 0,99.

Коэффициент морозостойкости, рассчитанный по прочности, для активированных и контрольных образцов нормального твердения равен соответственно 0,99 и 0,97, а образцов, пропаренных по режиму 1,5+4,5+2 ч - соответственно 0,98 и 0,93.

Т а б л и ц а 2

Влияние активации цемента на физико-механические свойства бетона

Возраст бетонных образцов, сут., с учетом перерывов в исследованиях

28 90

Режим Число циклов замораживания и оттаивания

твердения 0 0 0 50

контрольные активированные контрольные активированны е

Плотность бетонных образцов, кг, м3

Нормальное твердение 2480 2485 2520 2527

Пропаривание 2490 2500 2560 2574

Скорость прохождения ультразвука, м/с

Нормальное твердение 4630 4680 5100 5180

Пропаривание 4550 4610 5120 5100

Предел прочности при сжатии, МПа

Нормальное твердение 35,1 42 37,9 43,5

Пропаривание

по режиму 1,5+4,5+2 ч;

температура пропаривания 353 К, 23 28 25 28,9

предварительное выдерживание1 ч.

Большая морозостойкость бетонов на активированном цементе объясняется тем, что дополнительная контракция объема цементного теста в «активированном» бетоне сопровождается наряду с уплотнением и упрочнением структуры образованием непроницаемых для воды пор. Кроме того, при формировании структуры цементного камня возникает значительное количество микрокапилляров (менее 0,1 х 10-6 м), в которых вода остается в жидком состоянии даже при 243 - 238К.

Выводы. Использование акустических активаторов дает возможность повысить прочность бетонов на 15-20% или же уменьшить расход цемента на 10-15% в зависимости от класса бетона, а также уменьшить стоимость строительных материалов и изделий.

ИСПОЛЬЗОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА

1. Ахвердов И. Н. Высокопрочный бетон. М.: Госстройиздат, 1961.

2. Большаков В. И., Глущенко В. М., Молчанов А. В. Матерiалознавство будiвельне. Дншропетровськ, 2008.

3. Красильников В. А. Звуковые и ультразвуковые волны. М., 1960.