Цементні бетони, активовані в обертовому електромагнітному полі

Размещено на http://allbest.ru

Українська державна академія залізничного транспорту

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

05.23.05 - будівельні матеріали та вироби

ЦЕМЕНТНІ БЕТОНИ, АКТИВОВАНІ В ОБЕРТОВОМУ ЕЛЕКТРОМАГНІТНОМУ ПОЛІ

Виконала Зайченко Людмила Геннадіївна

Харків - 2007

АНОТАЦІЯ

Зайченко Л.Г. Цементні бетони, активовані в обертовому електромагнітному полі. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.23.05 - будівельні матеріали та вироби. - Українська державна академія залізничного транспорту Міністерства транспорту та зв'язку України, Харків, 2007 р.

Дисертація присвячена вирішенню актуальної задачі підвищення якості бетонних та залізобетонних виробів, а також енерго- та ресурсозбереження на основі теоретичного й експериментального обґрунтування способу активації цементних бетонів, що містять у своєму складі мінеральні добавки з магнітними властивостями, та встановлення закономірностей впливу обертового електромагнітного поля на формування структури і властивостей цементного каменя і бетону.

Встановлено, що мінеральні добавки бетонів з відходів металургійної та паливно-енергетичної промисловості, що містять в своєму складі значну кількість оксидів заліза, у зовнішньому магнітному полі здатні намагнічуватися як типові феромагнетики. З досліджених добавок найбільшу намагніченість насичення мають колошниковий пил Макіївського металургійного комбінату (G = 12 Гссм³/г) та зола-винесення Вуглегорської ТЕС (G = 7,4 Гссм³/г). Показано, що обертове електромагнітне поле впливає на процеси структуроутворення мінеральних дисперсій та цементних паст, що приводить до посилення міжчасткових взаємодій в системі, її ущільненню і підвищенню міцності. При оптимальних складах бетонних сумішей і режимах обробки в ЕМП межа міцності при стиску бетону підвищується на 25...32 %. Ця тенденція зберігається як на ранніх стадіях тверднення бетону, так і в проектному віці, в т.ч. після ТВО.

Випуск дослідно-промислової партії виробів (ФЕМ) з дрібнозернистого бетону, що містить як заповнювач золо-шлакову суміш Вуглегорської ТЕС, здійснено на заводі ЗБВ ЗАТ "Бетон-Нова", смт. Миронівський. Досягнуто зниження собівартості 1 м³ бетонної суміші за рахунок економії цементу на 9 %.

Ключові слова: феромагнітна мінеральна добавка, цементна паста, бетонна суміш, обертове електромагнітне поле, властивості бетону.

дрібнозернистий бетон портландцемент мінеральний

1. ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Різноманіття елементарних актів, що відбуваються при твердненні портландцементу, надає широкі можливості для розробки способів прискорення набору міцності бетону, підвищення фізико-механічних й експлуатаційних властивостей бетонних та залізобетонних виробів. Найбільш поширеними у цьому відношенні є способи теплової дії та використання хімічних добавок-прискорювачів. В значно меншій мірі застосовуються електрофізичні впливи, зокрема, електромагнітна активація. Існують серійні установки, що працюють за принципом вихрового шару - реактори, змішувачі, диспергатори, екстрактори, активатори тощо. Незалежно від призначення таких установок основними їх вузлами є індуктор обертового електромагнітного поля, робоча камера і феромагнітні частинки. Недоліком апаратів вихрового шару є дуже швидкий знос стінок робочої камери та необхідність частого відновлення заданого об'єму феромагнітних частинок. З цієї точки зору більш перспективною є обробка сумішевих композицій, що містять у своєму складі необхідну кількість речовин з феромагнітними властивостями. Стосовно компонентів бетонних сумішей такою речовиною є алюмоферитна фаза портландцементного клінкеру, проте її вміст у перерахунку на 1м³ бетонної суміші не перевищує 1,5 об. %.

Посилення ефектів від електромагнітної активації може бути досягнуте при введенні до складу бетонної суміші додаткових центрів, що характеризуються високою магнітною сприйнятливістю. Це - залізо-барієві цементи, залізовміщуючі відходи гірничо-збагачувальних комбінатів. В той же час дисперсні мінеральні відходи паливно-енергетичної та металургійної промисловості, що використовуються у складах бетону як активні мінеральні добавки, містять достатньо високу кількість оксидів заліза. Їх магнітні властивості та вплив на ефективність електромагнітної обробки бетонних сумішей досліджено не достатньо. Електромагнітна активація бетонних сумішей, що містять у своєму складі дисперсні мінеральні добавки з високим вмістом кремнезему, глинозему та оксидів заліза, дозволить суттєво підвищити фізико-механічні й експлуатаційні властивості бетонів, знизити собівартість бетонних та залізобетонних виробів.

Мета дослідження - розробка складів дрібнозернистих цементних бетонів з підвищеними фізико-механічними й експлуатаційними властивостями, що містять феромагнітні мінеральні добавки, на основі встановлення механізму активації процесів формування структури і властивостей бетону в обертовому електромагнітному полі.

Задачі досліджень:

- обґрунтувати вибір мінеральних добавок для дрібнозернистих цементних бетонів на основі експериментальних досліджень їх магнітних властивостей та пуцоланової активності;

- оптимізувати параметри електромагнітної активації бетонних сумішей;

- дослідити вплив обертового електромагнітного поля на формування складу продуктів гідратації портландцементу з феромагнітними мінеральними добавками;

- визначити параметри порової структури, фізико-механічні й експлуатаційні властивості дрібнозернистих бетонів, активованих в обертовому електромагнітному полі;

- розробити дослідно-промислову установку; виконати виробничі випробування способу електромагнітної активації бетонних сумішей та свіжовідформованих виробів і визначити його техніко-економічну ефективність.

Об'єкт дослідження - дрібнозернисті цементобетонні суміші та бетони, що містять феромагнітні мінеральні добавки, активовані в обертовому електромагнітному полі.

Предмет дослідження - закономірності формування структури і властивостей дрібнозернистих цементних бетонів, що містять феромагнітні мінеральні добавки, під впливом обертового електромагнітного поля.

Методи досліджень. Експериментальні дослідження виконано за допомогою стандартних та спеціальних методів. Намагніченість насичення мінеральних добавок визначено за допомогою магнітних терезів. Склад продуктів гідратації цементного каменю досліджено з використанням дериватографічного та рентгенофазового методів фізико-хімічного аналізу, інфрачервоної спектроскопії. Оптимізацію параметрів електромагнітної обробки бетонних сумішей та їх складів проведено з використанням математичних моделей (програма "Astat 2.0" в середовищі "MathCAD for Windows"). Для обробки і аналізу результатів експериментів застосовано методи математичної статистики.

Наукова новизна одержаних результатів полягає у наступному:

- теоретично й експериментально обґрунтовано спосіб активації дрібнозернистих цементобетонних сумішей в обертовому електромагнітному полі, який полягає в тому, що обробці піддаються бетонні суміші або свіжовідформовані вироби, які містять у своєму складі дисперсні мінеральні добавки з магнітними властивостями;

- встановлено залежність між питомою намагніченістю насичення дисперсних мінеральних речовин з відходів металургійної та паливно-енергетичної промисловості, що використовуються як пуцоланові добавки для бетонів, та їх хімічним складом, зокрема вмістом оксидів заліза; показано, що такі добавки реагують на дію зовнішнього магнітного поля як типові феромагнетики;

- показано, що присутність у складі бетонних сумішей дисперсних мінеральних добавок (зола-винесення, мелений шлак ТЕС, колошниковий пил металургійних комбінатів), що містять оксиди заліза, підвищує ефективність активації в обертовому електромагнітному полі; це зумовлює прояв пластифікуючого ефекту в бетонних сумішах та підвищує міцність бетону на стиск;

- визначено оптимальні співвідношення між мінеральними добавками, які містять різну кількість оксидів заліза та кремнезему, що у сукупності з оптимальними параметрами електромагнітної активації забезпечує отримання дрібнозернистих цементних бетонів з підвищеними фізико-механічними й експлуатаційними властивостями.

Практичне значення одержаних результатів полягає в розробці та впровадженні технологічного регламенту виробництва фігурних елементів мощення (ФЕМ) з дрібнозернистого цементного бетону, що містить феромагнітні мінеральні добавки, який передбачає в операційній структурі технологічного процесу активацію свіжовідформованих бетонних виробів в обертовому електромагнітному полі (ЗАТ "Бетон-Нова", смт. Миронівський). При невисоких енерговитратах це дозволяє інтенсифікувати процеси структуроутворення, підвищити фізико-механічні й експлуатаційні властивості бетону (межа міцності при стиску бетону підвищується на 25...32 %; морозостійкість - на одну марку) або скоротити витрати портландцементу на 8...10 %, що позначається на зниженні собівартості виробів (ФЕМ) на 18...20 грн./м³.

Спосіб активації свіжовідформованих виробів в обертовому електромагнітному полі захищено патентом України. Обробку бетонних сумішей, що містять феромагнітні мінеральні добавки, рекомендується виконувати в серійних апаратах вихрового шару - ВА-100, АВС-100, АВС-150, АВСП-100.

Особистий внесок здобувача полягає у виконанні експериментальних досліджень, обробці та інтерпретації одержаних даних, впровадженні результатів досліджень у виробництво з визначенням техніко-економічної ефективності запропонованих рішень. Окремі складові теоретичних та експериментальних досліджень, а також впровадження результатів дисертаційної роботи виконано зі співавторами наукових праць, що викладені у списку публікацій.

2. ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність теми, сформульовано мету і задачі дисертаційного дослідження, викладено наукову новизну та практичне значення роботи, приведено інформацію щодо структури та обсягу дисертації, публікацій та апробації роботи.

У першому розділі проаналізовано сучасний стан питання з напрямку теми дисертації, викладено теоретичні передумови досліджень, на основі яких сформульовано наукові гіпотези роботи.

Аналіз публікацій провідних вітчизняних і зарубіжних учених в області будівельного матеріалознавства свідчить про те, що загальним напрямом удосконалення бетонів нового покоління має стати підвищення показників якості, а також енерго- та ресурсозбереження при їх виробництві. У межах розробки сучасних технологій виробництва бетонних та залізобетонних виробів значна увага приділяється дослідженням впливу різних короткочасних активаційних дій на системи, що тверднуть, зокрема з використанням енергії електричних та електромагнітних полів. При цьому вибір того чи іншого виду активації або їх поєднання обумовлюються конкретними технологічними задачами, а час впливу, його тривалість й інтенсивність назначаються згідно з "принципом відповідності".

Дослідженню дії електричних і електромагнітних полів на процеси гідратації і тверднення мінеральних в'яжучих речовин і бетонів присвячені роботи учених і наукових колективів, які виконані під керівництвом Я.Л. Арадовського, О.С. Арбеньєва, В.І. Бабушкіна, Ю.М. Бутта, І.Г. Гранковського, І.М. Грушка, П.Г. Комохова, М.М. Круглицького, О.І. Кудякова, В.А. Матвієнка, С.А. Міронова, О.П. Мчедлова-Петросяна, А.М. Плугіна, А.Ю. Січкаревой, М.М. Сичева, В.О. Улазовського, Su N., Wu C-F., Wu Y-H., Yu Q., Yueming F. й ін.

Показано, що в технології бетону енергія електричних і електромагнітних полів реалізується, в основному, за двома напрямами. Перший - пов'язаний з тривалою дією електромагнітних полів на системи, що тверднуть, коли електрична енергія перетворюється на теплову і використовується для прискорення набору міцності бетону. У другому випадку електричні і електромагнітні поля створюють умови, що забезпечують значну інтенсифікацію процесів гідратації й тверднення в'яжучих речовин при короткочасній зовнішній дії.

Одним із способів прояву таких впливів є магнітна обробка води замішування бетонних сумішей. Бетонні суміші, що виготовлені на "омагніченій" воді, характеризуються більш високою легкоукладальністю, а також інтенсивним структуроутворенням, що пов'язують зі змінами структури води під дією магнітного поля (Ю.М. Бутт, М.М. Сичев, Su N.). В той же час даний ефект не є стабільним, а коливання властивостей вихідних компонентів бетонної суміші можуть більш значною мірою впливати на кінцеві результати, ніж "омагнічена" вода (В.П. Сізов).

Крім того встановлено, що комплексний вплив на воду замішування більш суттєво позначається на прискоренні процесів структуроутворення в бетоні, ніж магнітна обробка водопровідної води (І.М. Грушко). Серед різних способів стабілізації ефекту магнітної модифікації структури води виділяють фізико-хімічну водопідготовку, що передбачає попередню деаерацію води (І.М. Грушко, Л.О. Бєлова); дегазацію в ультразвуковому полі (В.А. Бірюков); введення у воду різних добавок (В.І. Бабушкін, В.А. Бірюков, І.Г. Гранковський). Особливо ефективне застосування солей заліза (І.М. Грушко, М.М. Круглицький), а також попередньо омагнічених мінеральних феромагнітних добавок (Л.М. Лазаренко, С.І. Сахно).

В той же час більш ефективною може бути обробка не окремих компонентів, а бетонних сумішей у цілому. При цьому до їх складу необхідно вводити речовини, сприйнятливі до магнітної дії (А.Ю. Січкарева). Це, наприклад, різні мінеральні добавки з високим вмістом оксидів заліза і кремнію, що широко застосовуються у складах бетону як пуцолани. Їх магнітні характеристики, а також вплив на процеси формування структури і властивостей бетонів, активованих в обертовому електромагнітному полі, практично не досліджено.

На підставі проведених теоретичних досліджень механізм активації бетонних сумішей, що містять в своєму складі мінеральні добавки з магнітними властивостями (золи-винесення ТЕС, колошниковий пил), в обертовому електромагнітному полі, узагальнено у вигляді наступних наукових гіпотез:

- вода, як полярна рідина, за рахунок водневих зв'язків утворює асоціати з декількох молекул. Під впливом зовнішнього магнітного поля відбувається деформація зв'язків у структурі води, руйнування асоціатів до молекул - вільні молекули води набувають підвищеної рухливості й легше проникають до поверхні в'яжучого, прискорюючи його гідратацію;

- обертове ЕМП впливатиме на структуру подвійних електричних шарів дисперсних частинок, переводячи їх з рівноважного нерівновагий стан, що призводить до появи дипольного моменту, а також зміни концентрації іонів у межах дифузної обкладинки ПЕШ та поза її межами - в системі, що твердне, інтенсифікуються масообмінні процеси (розчинення й гідроліз клінкерних мінералів); при появі індукованого дипольного моменту між частинками виникає диполь-дипольне притягання;

- частинки мінеральних добавок, що містять феромагнітні оксиди, під впливом обертового ЕМП здійснюють поступальні й обертові рухи. В бетонній суміші ці рухи можуть розглядатись як мікроколивання частинок у в'язкій цементній пасті - результуюча сукупного впливу великої кількості частинок в системі призведе до більш рівномірного розподілу рідини між частинками твердої фази. Це обумовить підвищення пластичності суміші, прискорення гідратації в'яжучого в результаті відведення продуктів гідратації з поверхні зерен.

У другому розділі наведено властивості вихідних матеріалів, викладено методи досліджень, подано конструктивні характеристики установки для обробки сумішей в обертовому електромагнітному полі, а також виконано обґрунтування вибору об'єктів досліджень - мінеральних добавок для бетонів, на основі їх пуцоланової активності та магнітних властивостей.

При проведенні експериментів як вихідні матеріали прийнято:

- в'яжучі речовини: мелений у кульовому млині до питомої поверхні 320-350 м²/кг портландцементний клінкер Амвросіївського цементного комбінату; портландцемент Балакліївського цементного комбінату CEM I-42,5 N;

- заповнювачі: кварцовий пісок Просянівського родовища (М_кр = 2,1); золо-шлакова суміш Вуглегорської ТЕС (М_кр = 3,1); щебінь гранітний Кальчикського кар'єру (фракція 5-10 мм);

- мінеральні добавки: зола-винесення (ЗВ) та мелений шлак Вуглегорської ТЕС; зола-винесення Зуївської та Курахівської ДРЕС; колошниковий пил (КП) Макіївського металургійного комбінату (хімічний склад подано в табл. 1);

- хімічні добавки: суперпластифікатор С-3 (ТУ 2481-001-51831493-00); залізо сірчанокисле 9-водне Fe₂(SO₄)₃9H₂O (ГОСТ 9458-74); залізо хлористе 7-водне FeCl₂7H₂O (ТУ 6-05-1828-77).

Таблиця 1. Хімічний склад мінеральних добавок бетону

Експериментальні дослідження виконано за допомогою стандартних та спеціальних методів. Морозостійкість бетону визначено прискореним методом за ДСТУ Б В.2.7-49-96. Склад продуктів гідратації цементного каменю досліджено з використанням дериватографічного (дериватограф Q-1500: діапазон температур 20…950С, швидкість нагрівання 10С/хв.) та рентгенофазового (дифрактометр "Дрон-3": напруга 40 кВ, струм анода 30 А, швидкість зйомки 1/хв., катод Cu (Ni)) методів, а також інфрачервоної спектроскопії (спектрометр "IR-75 Specord": пресовані порошки під тиском 10⁹ Па з додаванням KBr). Здобуті експериментальні дані опрацьовано методами математичної статистики.

Схема управління складається з однофазних автотрансформаторів, включених в кожну фазу, що дає можливість регулювати напругу і величину струму в обмотках індуктора у межах: напруга - 0…100 В, сила струму - 0…30 А. Вимірювальний ланцюг складається з блоку амперметрів і вольтметрів, а також індуктивного зонда і цифрового мілівольтметра. Величина електромагнітної індукції в робочій зоні індуктора - 0,01...0,03 Тл.

Намагніченість насичення мінеральних добавок визначали за допомогою магнітних терезів. Встановлено, що досліджувані мінеральні дисперсні матеріали з відходів металургійної та паливно-енергетичної промисловості в тій чи іншій мірі володіють магнітними властивостями. Характер залежностей намагніченості насичення мінеральних добавок від напруженості зовнішнього магнітного поля свідчить про те, що всі матеріали поводяться як типові феромагнетики. При слабких значеннях зовнішнього магнітного поля до 240 кА/м спостерігається швидке зростання намагніченості, яка при великих значеннях напруженості поля досягає насичення. З досліджуваних мінеральних добавок в найбільшій мірі цієї залежності відповідають колошниковий пил ММК і зола-винесення Вуглегорської ТЕС (вміст Fe₂O₃ - 41,6 % і 15,4 %, відповідно, а кількість частинок, що сепаруються за допомогою постійного магніту, становить 50 % і 21,6 % від загального навішування матеріалу).

Встановлено, що найбільшою пуцолановою активністю за поглиненням вапна з усіх досліджуваних мінеральних добавок характеризується мелений шлак Вуглегорської ТЕС (_CaO=28 мг/г). При практично однаковому хімічному складі золи-винесення й шлаку Вуглегорської ТЕС, в останньому міститься значно менше оксиду кремнію у закристалізованому стані, що підтверджується результатами рентгенофазового аналізу цих речовин. Проте магнітна сприйнятливість шлаку є низькою.

Отже, для подальших досліджень як мінеральні добавки для дрібнозернистих бетонів прийнято золу-винесення Вуглегорської ТЕС, що володіє достатньо високою пуцолановою активністю поряд з феромагнітними властивостями, та колошниковий пил ММК як добавку до золи-винесення для підвищення магнітної сприйнятливості комплексної мінеральної добавки ЗВ+КП.

У третьому розділі наведено результати досліджень структуроутворення мінеральних дисперсій, цементних паст та бетонних сумішей, активованих в обертовому електромагнітному полі; визначено вплив мінеральних добавок, що характеризуються магнітними властивостями, на ефективність електромагнітної обробки сумішей; виконано оптимізацію параметрів електромагнітної активації та складів дрібнозернистих бетонних сумішей.

Встановлено, що безпосередньо після обробки цементної пасти в обертовому електромагнітному полі її пластична міцність виявилася нижче у порівнянні з контрольним зразком (рис. 4, а). Це пов'язано з проявом пластифікуючого ефекту в цементній пасті, викликаного, ймовірно, зміною структури і властивостей рідкої фази, адсорбованої поверхнею частинок цементу. Через п'ять хвилин після обробки і в подальшому зафіксовано більш високі показники пластичної міцності активованої пасти у порівнянні з контрольним зразком. Ця тенденція зберігається і при подальшому твердненні каменю в'яжучого.

Встановлено, що при дії електромагнітного поля на мінеральну дисперсію у вигляді зольної пасти (зола-винесення + дистильована вода) об'єм рідкої фази, що виділилася після седиментації дисперсної фази, збільшується, а кінетика осідання частинок прискорюється. При цьому більш високі значення питомого водовідділення відмічені для систем з більшою концентрацією твердої фази (В/Т=0,5) у порівнянні з розбавленими (В/Т=1). Це пов'язано з тим, що при надлишку рідкої фази в системі на поверхні дисперсних частинок утворюються більш товсті сольватні оболонки у вигляді слабко зв'язаної рідини, які менш структуровані, - тому ефективність електрофізичних впливів значно менша у порівнянні з більш концентрованими дисперсними системами.

При введенні до складу цементної пасти золи-винесення ТЕС електромагнітна активація більш істотно впливає на кінетику структуроутворення. У порівнянні зі складами цементних паст без мінеральної добавки величина пластичної міцності цементно-зольної пасти безпосередньо після обробки в електромагнітному полі значно нижча ніж у контрольного зразку такого ж складу. Під впливом обертового ЕМП частинки золи-винесення, що володіють феромагнітними властивостями, здійснюють мікроколивання у в'язкому цементному розчині і тиксотропно його розріджують.

В результаті створюються умови для формування структури з більшою кількістю контактів в одиниці об'єму - величина пластичної міцності активованих паст через 160 хвилин тверднення на 40…45 % вище у порівнянні з контрольними зразками. Слід відзначити і ймовірний прояв післядії активаційної обробки, що обумовлена запізнілим відновленням рівноваги системи, яка була порушена впливом зовнішнього магнітного поля.

В дрібнозернистих бетонних сумішах заміна частини кварцового піску на колошниковий пил або повністю на золо-шлакову суміш при незмінній витраті води замішування призводить до зниження легкоукладальності бетонних сумішей (за діаметром розпливу конуса на струшуючому столику). Проте після обробки бетонних сумішей в обертовому ЕМП спостерігалося підвищення їх легкоукладальності у порівнянні з контрольними, особливо при збільшенні в їх складах вмісту феромагнітних мінеральних добавок.

Більш інтенсивна гідратація портландцементу позитивно відображається на кінетиці зростання міцності активованого бетону, що містить феромагнітні мінеральні добавки (склад дрібнозернистого бетону, кг/м³: портландцемент М400 - 600; золо-шлакова суміш - 1400; вода - 280). При цьому спостерігається тенденція зменшення різниці між міцністю бетону при стиску для активованих і контрольних зразків зі збільшенням терміну тверднення. Так, якщо у віці 7 і 28 діб міцність при стиску зразків з активованої бетонної суміші становить відповідно 140 % і 123 % відносно контрольних зразків бетону, то у віці 540 діб це значення знижується до 105 %.

В той же час для аналогічного складу дрібнозернистого бетону, в якому замість золо-шлакової суміші використано кварцовий пісок, приріст міцності при стиску зразків бетону з активованої в обертовому ЕМП бетонної суміші відносно контрольних у віці 28 діб становить лише 113 %.

Хімічний склад мінеральних добавок свідчить про те, що колошниковий пил на відміну від золи-винесення характеризується підвищеними втратами при прожарені і значно меншим вмістом діоксиду кремнію. У цьому випадку задача отримання дрібнозернистих бетонів з високими міцнісними та експлуатаційними властивостями може бути вирішена при комбінуванні у складі бетону мінеральних добавок, що володіють високою пуцолановою активністю і магнітною сприйнятливістю.

З цією метою проведено оптимізацію чинників, що впливають на ефективність активації бетонних сумішей в обертовому електромагнітному полі (вміст мінеральних добавок, тривалість обробки). Як параметр оптимізації прийнято відносне значення межі міцності при стиску зразків бетону, активованого в ЕМП, %:

.

З урахуванням оцінки значимості коефіцієнтів отримано рівняння регресії у вигляді неповного поліному І ступеня (; ; ):

Аналіз рівняння регресії показує, що на величину приросту міцності бетонів, активованих в електромагнітному полі, позитивно впливає як чинник Х₁ - вміст колошникового пилу в суміші мінеральних добавок (КП + ЗВ), так і чинник Х₂ - тривалість активації. Вплив чинника Х₁ пов'язаний зі збільшенням у складі бетонної суміші кількості дисперсних частинок, що володіють магнітними властивостями. Вплив коефіцієнта Х₂ - тривалість активації, на вихідний параметр виявляється більш істотним. Проте з підвищенням величини електромагнітної індукції від 0,02 до 0,03 Тл вплив тривалості обробки на приріст міцності активованого бетону значно зменшується, що має позитивне значення як технологічний фактор, що обумовлює пропускну здатність посту для активації свіжовідформованих виробів.

Четвертий розділ присвячено дослідженню складу продуктів гідратації каменю в'яжучого, порової структури, фізико-механічних та експлуатаційних показників якості бетонів, що містять мінеральні добавки з феромагнітними властивостями.

Дані диференційного термогравіметричного аналізу, а також ІЧС свідчать про підвищення ступеня гідратації активованого цементу, загальні втрати маси при прожарені якого склали 18,7 % у порівнянні з аналогічним значенням 17,7 % для зразків контрольної серії. Втрати маси в температурному інтервалі 25 - 120 - 310С для активованого зразка цементної пасти становлять 128,3 мг/г; для контрольного - 118,1 мг/г, а положення максимуму ендопіка зміщене на 5С у бік вищих температур. Це свідчить про більш високий вміст гідросилікатного гелю, а також підвищений ступень його закристалізованості.

За даними ІЧС визначено також більш високий ступінь перетворення аліта (за інтенсивністю смуги поглинання 925 см^-1). Зсув частоти від 1090 см^-1 для контрольних зразків до 1100 см^-1 для активованих свідчить про зростання ступеня конденсації тетраедрів кремнезему. В той же час зниження інтенсивності смуги 1430 см^-1 для активованого цементу свідчить про менший ступінь карбонізації гідроксиду кальцію.

Феромагнітні мінеральні добавки підсилюють ці ефекти. Так, диференційний термогравіметричний аналіз цементного каменю, що тверднув за умов тепловологісної обробки, свідчить про те, що активація цементних паст, які містять у своєму складі феромагнітні мінеральні добавки, сприяє підвищенню ступеня гідратації в'яжучої речовини. Загальні втрати маси цементного каменю з добавкою колошникового пилу на 13 % (у відносних одиницях) вище у порівнянні з аналогічним складом контрольних зразків. Для цементного каменю з добавкою золи-винесення ця різниця становить 18 %.

Розрахунок DTG-кривих показав, що втрати маси в інтервалі температур 40 - 150 - 310С вищі у активованих (А) зразків у порівнянні з контрольними (К), що можна відобразити у вигляді співвідношення: 51,8(А)/47,7(К) мг/г - для складу з колошниковим пилом і 54,8(А)/39,6(К) мг/г - для складу з добавкою золи-винесення. Ендотермічний ефект у цьому температурному інтервалі в основному пов'язаний з десорбцією вологи з тоберморитового гелю. В той же час в інтервалі температур 430 - 490 - 515С питомі втрати маси активованих цементних паст як з добавкою колошникового пилу, так і золи-винесення менші, ніж у контрольних зразків. Даний температурний інтервал відповідає процесу дегідратації гідроксиду кальцію, що утворюється в цементному камені в результаті взаємодії силікатів кальцію з водою. Зсув ендопіка у бік нижчих температур може свідчити про наявність у складі новоутворень цементного каменю гідрату окису кальцію у високодисперсному стані, частинки якого можуть розкладатися при декілька нижчій температурі, ніж крупнокристалічний Ca(OH)₂.

Таким чином, активація цементних паст з феромагнітними мінеральними добавками в обертовому ЕМП підвищує ступінь гідратації в'яжучого, сприяє більш інтенсивному зв'язуванню вільним вапном кремнезему мінеральних добавок з утворенням низькоосновних гідросилікатів кальцію. Ці висновки узгоджуються з результатами рентгенофазового аналізу цементного каменю. Встановлено, що для цементної пасти, що містить добавку колошникового пилу, інтенсивність ліній мінералу аліта d=0,303 і 0,277 нм для активованого зразка вище у порівнянні з контрольним відповідно на 17 % і 8 %. В той же час інтенсивність ліній d=0,274 і 0,260 нм знижується на 13 % і 26 %.

Спостерігається більш висока інтенсивність піків портландита d=0,492 і 0,311 нм (на 13 % і 33 %) у активованого зразка. Проте інтенсивність ліній d=0,193 і 0,179 нм знижується відповідно на 16 % і 8 %. Це указує на підвищення ступеня гідратації в'яжучого і більш інтенсивне зв'язування вільним вапном кремнезему мінеральної добавки при обробці цементної пасти в електромагнітному полі, що узгоджується з даними DTA/DTG. На користь останнього свідчить підвищена інтенсивність дифракційних відбитків гідросилікатів кальцію, що відповідають лініям d=0,307; 0,210 і 0,182 нм - CSH(I), а також d=0,285 нм - CSH(II). Відмічено також істотне зниження відбитків мінералу -SiO₂ - інтенсивність ліній d=0,424; 0,334; 0,228 і 0,197 нм для активованої цементної пасти знизилася у порівнянні з контрольною відповідно на 20, 51, 12 і 34%. Істотних відмінностей для ліній, відповідних -Fe₂O₃ (d=0,269; 0,251; 0,220; 0169 нм), не спостерігається.

Приблизно такий же характер мають рентгенограми цементного каменю, що містить у своєму складі добавку золи-винесення. В той же час більш істотно знизилась інтенсивність ліній -SiO₂, зокрема ліній d=0,424 та 0,334 нм. При цьому з'явилися лінії двокальцієвого гідросилікату - гілебрандита C₂SH - d=0,268; 0,245; 0,205 нм. Їх відносна інтенсивність для активованої цементної пасти у порівнянні з контрольною вище відповідно на 19, 18 та 12 %. Поява ліній гілебрандита є результатом хімічної взаємодії між гідроксидом кальцію та кремнеземом, що відбувається за умов тепловологісної обробки цементної пасти з активними мінеральними добавками. Це пов'язано з тим, що пуцоланова активність золи-винесення за кінетикою поглинання вапна значно вище, ніж колошникового пилу.

Інтегральні характеристики порової структури бетону, а також середній радіус () і однорідність розподілу пор () визначали відповідно до методики М.І. Брусера. Встановлено, що для дрібнозернистих бетонів з добавкою золи-винесення активація в ЕМП протягом трьох хвилин призводить до підвищення середньої щільності бетону приблизно на 30 кг/м³, а межі міцності при стиску на 25 %. Це пов'язано з підвищенням ступеня гідратації в'яжучого, а також зміною морфології новоутворень цементного каменю. Заповнення частини об'єму капілярних пор продуктами гідратації цементу обумовлює зниження на 1,05 % абсолютного значення (на 14 % у відносних одиницях) уявної пористості і середнього розміру пор (_акт.=0,75; _контр.=0,82), а також підвищення однорідності їх розмірів (_акт.=0,54, _контр.=0,45). Перераховані ефекти позитивно відображаються на підвищенні марки за морозостійкістю активованих бетонів (F_акт.=150, F_контр.=100).

При використанні у складі бетону комплексної мінеральної добавки (КП + ЗВ) спостерігається незначне зниження абсолютних значень показників якості бетону, зокрема морозостійкості. Це обумовлено тим, що вміст активних кремнезему і глинозему в колошниковому пилі значно нижче у порівнянні із золою-винесення, а також присутністю в колошниковому пилі втрат при прожарюванні. В той же час ефект від електромагнітної активації таких бетонів виявляється в більшій мірі, що пов'язано зі збільшенням вмісту феромагнітних частинок у складі комплексної мінеральної добавки.

Зміна характеристик порового простору істотно впливає на величину усадки бетону (), яка обумовлюється фізико-хімічними процесами, що відбуваються при твердненні, і зміною його вологості (W). Для дрібнозернистого бетону (склад, кг/м³: ПЦ=500; П=1250; ЗВ=250; В=250) відмічено, що величина капілярної усадки в діапазоні вологості від 6 до 0,5 % для контрольного зразка (1-К) становить 72 % від загальної величини усадки.

В той же час для активованого зразка (1-А) це значення складає 65 %, що указує на зниження капілярної пористості і збільшення вмісту гідросилікатного гелю. Ця закономірність в ще більшій мірі виявляється при активації бетонних сумішей, що містять більшу кількість оксидів заліза в комплексній мінеральній добавці.

В п'ятому розділі наведено технологічні рішення при застосуванні способу активації бетонних сумішей в обертовому електромагнітному полі в промисловості збірних бетонних та залізобетонних виробів і конструкцій, результати дослідно-промислової апробації дисертаційних досліджень, а також виконано розрахунки техніко-економічних показників запропонованих рішень.

Спосіб обробки в обертовому ЕМП можна реалізовувати на різних технологічних переділах - при активації бетонних сумішей після їх перемішування, а також після укладання та ущільнення в формах. В останньому випадку найбільш доцільно оброблювати свіжовідформовані дрібноштучні бетонні вироби, що виготовлюються в формах з неферомагнітного матеріалу, наприклад, при виробництві фігурних елементів мощення у пластикових формах. У цьому випадку енергія електромагнітного поля не буде витрачатися на нагрівання неферомагнітного матеріалу форм.

Розроблено і впроваджено технологічний регламент виробництва фігурних елементів мощення (ФЕМ) з дрібнозернистого цементного бетону, що містить феромагнітні мінеральні добавки, який передбачає в операційній структурі технологічного процесу активацію свіжовідформованих бетонних виробів в обертовому електромагнітному полі (ЗАТ "Бетон-Нова", смт. Миронівський). Відповідно до технологічного регламенту виконано випуск дослідно-промислової партії бетонних фігурних елементів мощення у кількості 823 м² (28800 шт.). Розрахунковий річний економічній ефект від впровадження технології виробництва ФЕМ за розробленим регламентом при річній продуктивності 21 тис. м² бруківки становить 20,5 тис. грн.

Спосіб активації свіжовідформованих виробів в обертовому електромагнітному полі захищено патентом України. Обробку бетонних сумішей, що містять феромагнітні мінеральні добавки рекомендується виконувати в серійних апаратах вихрового шару (АВШ), зокрема: ВА-100, АВС-100, АВС-150, АВСП-100 й ін.

ВИСНОВОК

1. Теоретично й експериментально обґрунтовано спосіб одержання дрібнозернистих цементних бетонів з підвищеними фізико-механічними та експлуатаційними властивостями на основі встановлення механізму активації бетонних сумішей в обертовому електромагнітному полі, який полягає у прискоренні гідратації в'яжучого та структуроутворення бетону в результаті більш рівномірного розподілу рідини та інтенсифікації масообмінних процесів в системі, що твердне.

2. Встановлено, що мінеральні добавки бетонів з відходів металургійної та паливно-енергетичної промисловості, що містять в своєму складі оксиди заліза, в зовнішньому магнітному полі здатні намагнічуватися як типові феромагнетики. З досліджених добавок найбільшу питому намагніченість насичення мають колошниковий пил Макіївського металургійного комбінату (G = 12 Гссм³/г) і зола-винесення Вуглегорської ТЕС (G = 7,4 Гссм³/г).

3. Показано, що обертове електромагнітне поле впливає на процеси структуроутворення мінеральних дисперсій і цементних паст, що призводить до посилення міжчасткових взаємодій в дисперсній системі, її ущільненню і підвищенню міцності. При оптимальних складах бетонних сумішей і режимах обробки в ЕМП межа міцності при стиску бетону в проектному віці підвищується на 25...32 %. Ця тенденція зберігається також як на ранніх стадіях тверднення бетону, так і після ТВО.

4. За результатами диференційного термогравіметричного і рентгенофазового аналізу, а також інфрачервоної спектроскопії встановлено позитивний вплив активації цементних паст в обертовому електромагнітному полі на процеси гідратації та формування складу новоутворень цементного каменю: підвищується ступінь гідратації цементу, інтенсифікується гідросилікатоутворення. Ці процеси виявляються в більш значній мірі, коли у складі цементних паст містяться мінеральні добавки, що характеризуються магнітними властивостями.

5. Встановлено, що при дії обертового електромагнітного поля на пластичні бетонні суміші (П2-П4) підвищується на 10...15 % їх рухливість, що пов'язано зі зміною структури води замішування та структури сольватних оболонок на поверхні дисперсних частинок, а також інтенсивним сукупним мікроколиванням феромагнітних частинок в цементній пасті, що призводить до її тиксотропного розрідження.

6. Активація бетонних сумішей з феромагнітними мінеральними добавками позитивно впливає на формуванні структури бетону - підвищується середня щільність на 30...50 кг/м³; знижується капілярна пористість на 10...12 % (у відносних величинах) і середній розмір пор (_акт.=0,75; _контр.=0,82), а їх однорідність за розмірами підвищується (_акт.=0,54, _контр.=0,45). Зміна показників пористості активованих бетонів відбивається на підвищенні морозостійкості бетону (F_акт.=150, F_контр.=100), зниженню величини усадки бетону при висиханні.

7. Розроблено і впроваджено (ЗАТ "Бетон-Нова", смт. Миронівський) технологічний регламент виробництва фігурних елементів мощення з дрібнозернистого бетону, який передбачає активацію свіжовідформованих бетонних виробів в обертовому електромагнітному полі. Результати досліджень апробовано при випуску дослідно-промислової партії бетонних фігурних елементів мощення у кількості 823 м² (28800 шт.). Розрахунковий річний економічний ефект від впровадження технології виробництва ФЕМ за розробленим регламентом при річній продуктивності 21 тис. м² ФЕМ складає 20,5 тис. грн.

ПУБЛІКАЦІЇ

1. Дремов В.В., Зайченко Л.Г. Исследование влияния вращающегося электромагнитного поля на структурообразование и прочность цементного камня // Вісник ДонДАБА: Макіївка. - 2003. - Вип. 1 (38). - С. 169-171. (Особистий внесок здобувача - участь у складанні експериментальної установки, проведенні експериментальних досліджень, обробка результатів).

2. Зайченко Л.Г. Гидратация портландцемента, активированного во вращающемся электромагнитном поле // Ежегодный научно-технический сб. "Современные проблемы строительства". - Донецк: Донецкий ПромстройНИИпроект. - 2003. - № 1(6). - С. 105-109.

3. Братчун В.И., Зайченко Л.Г. Структурообразование минеральных дисперсий, активированных в вихревом электромагнитном поле // Вісник ОДАБА: Одеса - 2004. - Вип. № 15. - С. 48-53. (Виконано дослідження кінетики седиментації мінеральних дисперсій та структуроутворення цементних паст, обробка результатів).

4. Братчун В.И., Зайченко Л.Г. Эффективность влияния вращающегося электромагнитного поля на бетонные смеси // Сб. научн. трудов "Строительство, материаловедение, машиностроение". - Днепропетровск: ПГАСА. - 2005. - С. 89-94. (Підготовка матеріалів до хімічного аналізу та визначення намагніченості насичення, дослідження властивостей бетонних сумішей та бетонів, обробка результатів).

5. Братчун В.И., Зайченко Л.Г. Оптимизация факторов электромагнитной активации бетонных смесей // Вісник ОДАБА: Одеса. - 2005. - Вип. № 20. - С. 40-46. (Участь у проведенні експериментів, розрахунки рівняння регресії).

6. Братчун В.І., Зайченко Л.Г. Вплив обертового електромагнітного поля на фазовий склад новоутворень цементного каменю з феромагнітними добавками // Зб. наук. праць "Ресурсоекономні матеріали, конструкції, будівлі та споруди": Рівне. - 2006. - Вип. 14. - С. 9-15. (Підготовка матеріалів до фізико-хімічного аналізу, обробка даних).

7. Зайченко Л.Г. Эксплуатационные свойства мелкозернистых бетонов, активированных во вращающемся электромагнитном поле // Вісник ОДАБА: Одеса. - 2006. - Вип. № 23. - С. 94-99.

8. Декл. пат. № 69552 А Україна, (51) 7 Е04G21/04. Спосіб активації бетонних сумішей в обертовому електромагнітному полі: Александров В.Д., Дрьомов В.В., Зайченко Л.Г. Заявлено 01.08.2003; Опубл. 15.09.2004. - Бюл. № 9. (Виконання досліджень, патентний пошук, участь у розробці схеми установки для активації).

9. Зайченко Л.Г., Григоренко Н.В., Бондаренко О.В. Технология активации свежеотформованных бетонных изделий в вихревом электромагнитном поле // Матеріали 30-ї наук. конф. студентів, аспірантів і молодих вчених // Вісник ДонДАБА: Макіївка. - 2004. - Вип. 3 (45) - С. 127-130. (Участь у проведенні експериментальних досліджень, обробка результатів).

10. Зайченко Л.Г. Інтенсифікація процесів формування структури і властивостей цементних бетонів активацією в обертовому електромагнітному полі // Головні доповіді ІІ науково-технічної конф. "Енергозаощадження у будівництві". - Чернівці. - 2006. - С. 32-34.

Размещено на Allbest.ru