Активация каменных материалов при их укреплении вяжущими в композиционных слоях дорожной одежды

УДК 625.7/8

АКТИВАЦИЯ КАМЕННЫХ МАТЕРИАЛОВ ПРИ ИХ УКРЕПЛЕНИИ ВЯЖУЩИМИ В КОМПОЗИЦИОННЫХ СЛОЯХ ДОРОЖНОЙ ОДЕЖДЫ

Е.А. Фоменко, мл. научн. сотр.,

А.Г. Ольгинский, профессор, д.т.н., ХНАДУ

Аннотация. Рассматриваются пути искусственной химической активации каменных материалов, приводящие к усилению их контактного взаимодействия с продуктами гидратации вяжущих. Для этих целей предложено использовать разбавленные растворы электролитов. Отмечено, что их применение особенно целесообразно при наличии пылевато-глинистых примесей.

Ключевые слова: композиционные материалы, песок, пылевато-глинистые частицы, растворы электролитов, двойной электрический слой, д-потенциал.

Введение

Искусственные композиционные материалы являются гетерогенными системами с развитой поверхностью раздела фаз. Прочность и долговечность таких систем определяется величиной реализованной межфазной энергии взаимодействующих структурных компонентов. Максимальная устойчивость систем достигается в том случае, если энергетические потенциалы, присущие каждому структурному компоненту системы, полностью затрачены на образование межфазных связей, при этом они взаимно компенсируются.

Все сырьевые каменные материалы, независимо от их агрегатного состояния, обычно находятся в неактивном состоянии и при комплексной обработке могут приобретать химическую активность в результате энергетического взаимодействия на границе раздела фаз.

Применение в дорожном строительстве различных химических реагентов, вяжущих и способов физико-химической активации сырьевых конгломератов позволяет усовершенствовать технологические процессы, повысить эксплуатационные свойства материалов, способствует улучшению свойств дорожных конструкций.

Анализ публикаций

Применение мелкого заполнителя (песков различных классов) без учета его физико-технических свойств приводит, в первую очередь, к ухудшению таких эксплуатационных свойств изделий, как морозостойкость, прочность, водопоглоще-ние, истираемость, и, во-вторых, к неоправданному увеличению расхода цемента.

Известны химические методы активации минеральных составляющих бетонных смесей: растворами электролитов высокой концентрации, в частности, азотной кислотой; растворами щелочей.

Принципиально отличается активация кварцевого песка слабыми растворами электролитов с целью управления его электроповерхностными свойствами. Активация производится растворами солей с многовалентными катионами с концентрацией порядка несколько г. моль/л. Оптимальной считается та, при которой происходит перезарядка поверхности заполнителя [1]. Например, при активации кварцевого песка раствором ЛЬСЬ3-6И20 с концентрацией 5-101 г. моль/л увеличивается прочность бетонов на 130—360%.

Цель и постановка задачи

В результате анализа способов, направленных на интенсификацию взаимодействия цементного камня с минеральными материалами, показано, что перспективным является способ интенсификации физико-химического взаимодействия путем модификации поверхности каменных материалов слабыми растворами электролитов.

Применение электролитов высокой концентрации не имеет широкого распространения, так как концентрированные растворы, в частности кислот, могут оказывать вредное воздействие не только на цементный камень и арматуру, но и на технологическое оборудование.

При работе с высококонцентрированными растворами требуются повышенные меры безопасности. Существенным недостатком также является

значительный расход дорогостоящих реактивов, что приводит к неоправданно высоким экономическим затратам.

Кроме этого, определяющим фактором является высокое содержание пылевато-глинистых примесей в песке, превышающих допустимые показатели, которые имеют практически одинаковый по величине и знаку ^-потенциал с цементными гидратами, что не обеспечивает формирование плотной зоны контакта гидратов с заполнителем и снижает физико-механические свойства цементных бетонов.

Активация каменных материалов разбавленными растворами электролитов

Принципиально другие подходы предлагает школа профессора А.Г. Ольгинского [2, 3], использующая для активации заполнителей разбавленные растворы электролитов.

Процессы контактообразования начинаются с момента контактирования поверхности зерен заполнителя, минеральных частиц и вяжущего (дисперсная фаза) с жидкой фазой цементного теста (дисперсная среда).

Управляя электроповерхностными свойствами взаимодействующих частиц, можно воздействовать на процессы структурообразования, прежде всего в зоне контакта цементных гидратов с заполнителем.

Мономолекулярная пленка воды на поверхности коллоидной частицы представляет собой двойной электрический слой (ДЭС), представленный потенциалоопределяющими ионами поверхностных зон дисперсной фазы и эквивалентного количества противоионов дисперсной среды. В нашем случае, заполнителя и цементных частиц, с одной стороны, и жидкой (водной) фазы, с другой стороны. Его обкладки приближенно можно считать состоящими из непрерывно распределенного заряда (рис. 1).

Состояние двойного электрического слоя (ДЭС) оказывает большое влияние на устойчивость и коагуляцию коллоидных систем. Переход ионов из объема фазы на поверхность раздела в гетерогенной системе сопровождается перераспределением зарядов. В состоянии равновесия граничащие фазы должны приобрести заряды равной величины, но противоположного знака.

Между обкладками действуют силы притяжения, стремящиеся сократить толщину ДЭС. Если оси молекулярных диполей воды нормальны к поверхности частицы, то силы притяжения везде нормальны к поверхности и «гасятся» упругостью молекул, препятствующих их сжатию вдоль оси диполя.

Рис. 1. Схема коллоидной частицы с мономолеку-лярной пленкой воды или других полярных молекул, адсорбированных на ее поверхности: а - дипольные молекулы, расположенные нормально к поверхности; б - диполь-ные молекулы, наклонные к поверхности частицы; в - спонтанная поляризация сопровождается уменьшением толщины «двойного слоя» от ё0 до ё со сдвигом центра тяжести наружных электрических зарядов [4]

Важной характеристикой поверхности раздела фаз является электрокинетический (дзета) потенциал - перепад потенциала по той части диффузного слоя, в пределах которой раствор электролита может быть вовлечен в тангенциальное движение относительно межфазной поверхности при внешнем воздействии на систему. Величина и знак электрокинетического потенциала зависят от строения ДЭС.

Отсюда следует, что изменив состав раствора, можно изменить величину и знак ^-потенциала вследствие сильно адсорбирующихся на поверхности ионов или изменения pH раствора электролита.

Определяется электрокинетический потенциал как потенциал, отсчитываемый от уровня в диффузном слое, достаточно удаленном от границы раздела фаз, до границы скольжения (рис. 2 [1]).

О влиянии заполнителя с разной удельной поверхностью и, следовательно, адсорбционной способностью можно судить на примере раздельной обработки [1] крупного и мелкого заполнителя растворами кислоты. В случае активации крупного плотного заполнителя используется раствор с концентрацией 10-2-10-3 г. моль/л, мелкого - с концентрацией 10-3-10-5 г. моль/л. В результате возрастает микротвердость цементного камня в зоне контакта на 12-19%, и, как следствие, снижается водопоглощение бетонов, прочность при сжатии увеличивается на 15-28%, возрастает морозостойкость и коррозионная стойкость в среднем на марку.

Q, мВ -80

-60

^0

-20

»—,

V [2 N % \ %

4\ ч ^ 1 1 * 1 *

ч 1 \ % \ 1 Л’ ,

3 V \ 1 1 11 \* V«

Л к ,

10 10

10

10

1

Рис. 2. Зависимость

Выбор электролитов следует осуществлять с учетом минерального состава и природы каменного материала. В качестве песчано-пылеватых примесей могут быть налеты и пленки, образуемые при вторичном минералообразовании на поверхности слагающих минералов, в процессе выветривания или в результате дробления каменного сырья. Одними из наиболее распространенных примесей являются скопления пылеватых и глинистых частиц. Из них глинистые минералы с высокой удельной поверхностью представляют собой наиболее сильные адсорбенты, способные к катионному обмену.

В качестве обрабатывающих растворов рассматривались растворы сильной кислоты (HCl), соли слабого основания и сильной кислоты (AlCl3), а также щелочи (КОН) оптимальной концентрации. Эффективность активации оценивалась на основании прироста прочности цементно-песчаных бетонов естественного твердения в возрасте 3 суток (рис. 3) по сравнению с контрольными составами на неактивированном заполнителе.

Наиболее высокие значения прироста прочностных характеристик типичны для бетонов на заполнителях с пылевато-глинистыми примесями. При таком составе примесей целесообразно проводить активацию растворами щелочей и солей, хотя и кислотная активация также достаточно эффективна.

Для них прочность при сжатии увеличивается в среднем на 40%, а при изгибе - на 50%.

Рис. 3. Гистограмма прироста прочности бетонов на песке с пылевато-глинистыми примесями (%): а - при сжатии; б - при изгибе; 1 - при обработке кислотой; 2 - солью; 3 - щелочью

Выводы

Предварительная активация песка растворами гидролизующихся солей приводит к перезарядке его поверхности и снижению степени электризации пылевато-глинистых примесей), в результате чего повышается прочность и долговечность бетона.

При выборе электролитов необходимо учитывать их стоимость, доступность, особенности хранения, безопасность в обращении, удобство в работе.

Литература

1. Ольгинский О.Г. Оценка и регулирование

структуры зоны контакта цементного камня с минеральными заполнителями: Автореф. дис. ... д-ра техн. наук. - Харьков, 1994.

2. Мельник Ю.М. Активация структурообразова-

ния в контактной зоне тяжелого цементного бетона растворами солей с целью улучшения его свойств: Автореф. дис. . канд. техн. наук. - Харьков, 1984. - 19 с.

3. Редкозубов А.А. Мелкозернистые цементные

бетоны на некондиционных кварцевых песках: Автореф. дис. ... канд. техн. наук. -Харьков, 1996 - 19 с.

4. Ковалев Я.Н. Активационные технологии до-

рожных композиционных материалов (научно-практические основы). - Минск: Белорусский дом печати, 2002. - 313 с.

Рецензент:

ХНАДУ.

В.В. Филиппов, профессор, д.т.н.,

Статья поступила в редакцию 4 февраля 2005 г.