Содержание к диссертации
Введение
1. Формирование прочности цементного камня и бетона. методы активации цемента 10
1.1. Влияние особенностей структуры на гидратационную активность клинкерных минералов и цемента 10
1.2. Гидратационное твердение цемента 13
1.3. Факторы, определяющие прочность цементного камня и бетона 15
1.4. Процессы, обусловливающие механическую активацию твердых веществ 18
1.4.1. Активация твердых веществ при их диспергировании 18
1.4.2. Ускорение диффузионных процессов при механической активации твердых веществ 20
1.4.3. Влияние среды на процесс механической активации веществ.. 21
1.5. Методы механической активации цемента и цементных
суспензий 22
1.5.1. Сухая активация цемента 22
1.5.2. Активация цементной суспензии 23
1.6. Методы и устройства кавитационной обработки суспензий . 27
1.6.1. Гидродинамическая кавитация 28
1.6.2. Акустическая кавитация 29
1.6.3. Установки для кавитационной обработки жидкостей 31
1.7. Заключение по главе 1. Постановка задач исследования 35
2. Материалы и методики исследований 37
2.1. Характеристика сырья и материалов 37
2.1.1. Цемент 37
2.1.2. Песок 38
2.1.3. Щебень 39
2.1.4. Воластонит 40
2.1.5. Вода 40
2.1.6. Добавка-суперпластификатор 41
2.2. Определение физико-механических свойств цементного камня и бетона 41
2.2.1. Прочность цементного камня 41
2.2.2. Прочность мелкозернистого бетона 41
2.2.3. Прочность тяжелого бетона 42
2.2.4. Морозостойкость бетона 42
2.2.5. Водонепроницаемость бетона 42
2.2.6. Тепловлажностная обработка 43
2.3. Физико-химические методы исследования 43
2.3.1. Рентгенофазовый анализ 43
2.3.2. Лазерная гранулометрия 44
2.3.3. Инфракрасная спектроскопия 45
2.4. Планирование эксперимента и математическое моделирование 45
2.4.1. Построение плана эксперимента 46
2.4.2. Расчет математической модели 47
3. Исследование процесса активации силикатных материалов в гидродинамическом диспергаторе . 49
3.1. Устройство и принцип действия гидродинамического диспергатора 49
3.2. Диспергирование молотого кварцевого песка 50
3.3. Диспергирование волластонита 54
3.4. Изменение свойств волластонита при обработке 58
3.4.1. Кристаллическая структура 58
3.4.2. Химические связи 62
3.5. Выводы по главе 3 64
4. Активация цемента в гидродинамическом диспергаторе и получение бетона на его основе 66
4.1. Изменение прочности мелкозернистого бетона в зависимости от параметров процесса активации цемента 66
4.2. Прочность мелкозернистого бетона после пропаривания 74
4.3. Зависимость прочности цементного камня от содержания активированной суспензии 77
4.4. Свойства активированного цемента 78
4.5. Выводы по главе 4 80
5. Технология и свойства тяжелого бетона на активированном цементе 82
5.1. Получение тяжелого бетона на активированной цементной суспензии 82
5.2. Получение тяжелого бетона на активированном цементе с пластификатором 85
5.3. Опытно-промышленные испытания 92
5.4. Технологическая схема производства бетона на активированном цементе 94
5.5. Оценка экономического эффекта от внедрения метода 95
5.5.1. Потребность в капитальных вложениях и инвестициях 96
5.5.2. Производственный план 96
5.5.3. Численность работающих и расходы на заработную плату 99
5.5.4. Поставщики и стоимость сырья и материалов 100
5.5.5. Себестоимость производства и цена единицы продукции 101
5.5.6. Прибыль и рентабельность 103
5.5.7. Экономические и финансовые показатели проекта 104
5.6. Выводы по главе 5 105
Общие выводы по работе 107
Библиографический список по
Приложения 131
- Влияние особенностей структуры на гидратационную активность клинкерных минералов и цемента
- Установки для кавитационной обработки жидкостей
- Изменение прочности мелкозернистого бетона в зависимости от параметров процесса активации цемента
- Получение тяжелого бетона на активированном цементе с пластификатором
Введение к работе
Актуальность работы. Бетон является одним из основных строительных материалов, применяемых как в России, так и за рубежом. Постоянное совершенствование строительных технологий, их интенсификация предъявляет все более высокие требования к качеству применяемых материалов, в особенности бетона, как основного материала. Таким образом, необходимо осуществлять поиск и изучение новых, более совершенных способов получения бетона, повышения его качества и снижения себестоимости. Основными способами увеличения прочности бетона являются введение добавок, позволяющих повысить плотность бетона, снизить водоцементное отношение, или активация вяжущего. Вяжущим является цемент, смесь цемента с отходами производства или только отходы производства, прошедшие специальную обработку.
Активация вяжущего, как правило, осуществляется механическим путем - с помощью специальных шаровых мельниц, вибромельниц. Существуют такие виды активации цемента, как обработка цементной суспензии электрическим током высокого напряжения или ультразвуковое и электростатическое измельчение.
Известен ряд способов получения цементо-водной суспензии с механо-химической активацией содержащегося в ней цемента. Во многих источниках отмечается улучшение физико-механических характеристик бетона на активированной в кавитационных установках цементной суспензии. Однако, в литературных источниках отсутствуют данные о процессах, происходящих при кавитационной активации цемента, обусловливающих повышение прочности бетона. Также недостаточно данных о регулируемых параметрах процесса, которые могут быть применены в реальной технологии производства бетона и железобетона.
Эти вопросы исследованы в данной работе. Она выполнена в соответствии с тематическим планом научно-исследовательских работ НГАСУ (Сиб-
стрин) в 2006-2009 гг. по направлению «Разработка новых строительных материалов и ресурсосберегающих технологий их производства», шифр темы 7.2.1.129.
Цель работы:
Исследование процесса кавитационной активации цементных суспензий в гидродинамическом диспергаторе для получения высококачественного бетона, разработка на этой основе технологии тяжелых бетонов на активированном цементном вяжущем.
Задачи исследования:
исследовать особенности изменения гранулометрического состава и структуры порошков силикатных материалов, не взаимодействующих активно с водой (кварц, волластонит), в результате кавитационной обработки в гидродинамическом диспергаторе;
исследовать воздействие кавитационной обработки на свойства цементных суспензий;
определить оптимальные режимы процесса кавитационной обработки цементных суспензий (концентрация суспензии, время обработки);
определить изменение свойств бетона в результате применения кавитационной активации цементных вяжущих;
разработать технологическую схему кавитационной активации цементных вяжущих и изготовления бетона с их использованием;
- оценить технико-экономическую эффективность результатов работы.
Научная новизна:
1. При обработке в гидродинамическом диспергаторе дискового типа (мощность двигателя 4,5 кВт) однокальциевого силиката (волластонита) оптимальное время диспергации составляет 60 с, оптимальная концентрация суспензии 60 % мае, расчетная подводимая энергия при таких условиях составляет 70,7 кДж на 1 кг материала. При этом среднеобъемный размер частиц уменьшается с 35,8 до 25,6 мкм. Наряду с этим происходит изменение структуры и частичная аморфизация материала, что проявляется в уменьше-
ний интенсивности и увеличении ширины основного рефлекса на его ди-фрактограммах.
Оптимальными параметрами активации цементной суспензии в гидродинамическом диспергаторе являются: время обработки 50 с, концентрация суспензии 60 % мае. Более существенное влияние оказывает время активации. Прочность мелкозернистого бетона на активированном цементе после 7 сут. нормального твердения достигает марочного значения того же состава на неактивированном вяжущем. После 28 сут. нормального твердения прочность бетона на активированном вяжущем превышает прочность бетона на неактивированном вяжущем на 45 %. Повышение прочности достигается за счет введения активированных частиц. Заметного влияния активированного цемента на гидратацию неактивированного не наблюдается. Зависимость прочности при сжатии образцов цементного камня от содержания активированной суспензии является прямолинейной.
Гидродинамическая активация цементного вяжущего приводит к ускорению процессов гидратации и твердения цемента, что выражается в увеличении прочности бетона на активированном цементном вяжущем после тепловлажностной обработки в 2 раза по сравнению с прочностью бетона на неактивированном вяжущем, твердевшего в аналогичных условиях. При этом, прочность пропаренного бетона на активированном вяжущем на 40% превосходит прочность бетона на неактивированном вяжущем, твердевшего в нормальных условиях.
Практическая значимость работы:
установлены оптимальные технологические параметры процесса активации цементной суспензии;
установлено устранение негативного влияния тепловлажностной обработки на структурообразование бетона в случае активированного цементного вяжущего, показана возможность существенного повышения прочности бетона при пропаривании;
получен комплекс данных о влиянии активации цементной суспензии с нафталинсульфонатным суперпластификатором в различных дозировках на подвижность и прочность тяжелого бетона;
разработан вариант технологической схемы производства бетонной смеси с применением гидродинамического диспергатора для активации цементного вяжущего.
На защиту выносятся:
данные об активационном действии обработки в гидродинамическом диспергаторе на гидратацию цемента и свойства цементного камня;
параметры процесса активации, их влияние на показатели качества бетона, оптимальные значения этих параметров;
характеристики свойств тяжелых бетонов на активированной цементной суспензии;
зависимость подвижности тяжелых бетонов от дозировок суперпластификатора при активации цементного вяжущего;
усовершенствованная технология производства бетонных смесей на активированном цементном вяжущем.
Апробация работы:
Результаты работы докладывались на 62-й научно-технической конференции, посвященной 75-летию НГАСУ (Сибстрин), Новосибирск, 2005 г.; 63-65-й научно-технических конференциях НГАСУ (Сибстрин), Новосибирск, 2006-2008 гг.; XIII Международном семинаре АТАМ «Строительные и отделочные материалы. Стандарты XXI века», Новосибирск, 2006 г.; Международной научно-практической конференции «Строительство-2007», Ростов-на-Дону, 2007 г.; Всероссийской конференции «Современные проблемы производства и использования композиционных строительных материалов» НГАСУ (Сибстрин), Новосибирск, 2009 г.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 научных работ, в т.ч. 4 в изданиях, рекомендованных ВАК.
Влияние особенностей структуры на гидратационную активность клинкерных минералов и цемента
Сложность рассматриваемых вопросов во многом определяется самим объектом исследования — цементом. Он является многофазным, полиминеральным материалом. При этом, наряду с колебаниями его химического, минерального и вещественного состава, значительно изменяются и другие свойства, например, удельная поверхность.
При взаимодействии с водой реакционная способность цемента зависит от состояния поверхности его частиц, дефектности структуры клинкерных минералов и других параметров дисперсного вещества. Свойства цементного клинкера во многом определяются условиями его получения, зависят от ис пользуемого сырья и условий хранения. На формирование структуры основных клинкерных минералов существенное влияние оказывают примеси, присутствующие в исходном сырье.
С точки зрения современных представлений о кинетике протекания химических реакций с участием твердых фаз и роли дефектов строения твердого тела в этих процессах большое значение имеет наличие в структуре клинкерных минералов атомов примесей и образование твердых растворов [14-19]. В условиях получения цементного клинкера, формирующиеся в нем минералы представляют собой, как правило, твердые растворы, т.е. имеют переменный состав, зависящий от вида и количества исходных компонентов и условий обжига [20, 21]. Технические свойства цемента во многом определяются специфическими особенностями минералов цементного клинкера [20, 21]: - их способностью образовывать твердые растворы с разнообразными компонентами; - дефектностью кристаллической структуры; - неустойчивостью ряда твердых растворов; - сложным полиморфизмом. Для цементных минералов характерны многочисленные и разнообразные изоморфные замещения. К числу особенностей изоморфизма клинкерных минералов можно отнести следующие [21, 22]: - в их решетках могут размещаться различные примеси (ионы Na, К, Mg, Мп, Сг, Ті, Р и др.), замещающие элементы структуры; - могут проявляться замещения радикалов (например, [Si04] " -» [Ge04] ); - атомы Са, Al, Fe и Si способны к замене атомами других элементов. При этом важную роль в структуре минералов играют пустоты. В них могут размещаться ионы, необходимые для компенсации заряда (С3А). В более плотных структурах (C3S) гетеровалентные замещения приводят к значительным искажениям решетки [23, 24]. Дефекты кристаллической решетки минералов цементного клинкера, обусловленные присутствием примесных атомов, изменяют реакционную способность при взаимодействии с водой [25, 26]. По интенсификации гидратации алита вводимые соединения элементов можно расположить в ряд Fe Al Mg [25]. При этом совместное влияние одновременно вводимых двух и более добавок не является аддитивным. Дополнительное создание дефектов структуры может происходить в процессе помола клинкера [25, 26]. Повышение дефектности поверхности зерен цемента приводит к возрастанию скорости его гидратации [27-31]. Меха-нохимическая активация дисперсной системы при помоле может оказываться более эффективной, чем увеличение ее удельной поверхности [30]. На гидратационную активность клинкерных минералов и цемента в целом влияют возможные изменения химического состава, содержания свободного оксида кальция, дисперсность и специфические особенности строения кристаллов минералов, прежде всего их морфология и дефектность структуры [29-32]. Создание дефектов в структуре кристаллов клинкерных минералов, формирование их наиболее реакционноспособных модификаций и морфологии рассматривается как важный инструмент оптимизации структуры и свойств клинкера [32]. Литературные данные показывают, что свойства цемента, в первую очередь его гидратационная активность, определяются комплексом факторов, таких как химический, минеральный и вещественный состав, дефектность структуры клинкерных минералов, морфология кристаллов, тонкость помола, а также состояние поверхности частиц цемента, связанное с гидратацией и карбонизацией. Эти факторы определяют протекание химических процессов гидратообразования и физических процессов структурообразования, влияющих на процесс твердения цемента и набор прочности цементного камня. 1.2. Гидратационное твердение цемента Формирование прочной структуры при взаимодействии вяжущих веществ с водой включает две группы процессов, различающихся по своей природе [33, 34]: - гидратообразование: химическое взаимодействие минерального вяжущего вещества с водой, приводящее к появлению новых веществ - гидратов. Само по себе гидратообразование еще не определяет формирование прочности цементного камня, но создает предпосылки и условия для этого; - структурообразование: формирование прочной структуры искусственного материала. Оно определяет механическую прочность цементного или другого искусственного камня.
Скорость гидратообразования определяется химическим сродством взаимодействующих веществ - изменением энергии Гиббса вследствие протекания химических реакций. В результате этих реакций, а также происходящих в системе капиллярных, поверхностных и электрокинетических явлений изменяются химические потенциалы взаимодействующих веществ. Процесс структурообразования определяется изменением свободной энергии, которое связано с возникновением продуктов взаимодействия, а также новых поверхностей раздела и уплотнением формирующегося цементного геля.
С термодинамической точки зрения структурообразование можно описать, используя понятие структурного сродства [35-46]. Процессы структурообразования и химического взаимодействия оказывают влияние друг на друга, однако характер их изменения во времени различен. Химическое сродство в твердеющей системе с течением времени монотонно убывает, а структурное - после некоторого начального уменьшения - непрерывно возрастает до определенного предела и затем постепенно снижается.
Установки для кавитационной обработки жидкостей
Для использования эффекта кавитации в промышленности разрабатываются и производятся кавитационные установки. Эти установки выпускаются под различными торговыми названиями, такими как эмульгаторы (S и иного типа), кавитаторы, роторно-пульсационные установки, генераторы кавитации, или характеристическими названиями, например, гомогенизатор, дис-пергатор или пастеризатор. Принцип работы кавитационнных установок заключается в создании в жидкой среде, проходящей через рабочие органы установки, эффектов гидродинамической и акустической кавитации [168-199].
По конструкции кавитационные установки подразделяются на два основных типа — цилиндрические и дисковые, которые по своему устройству являются модифицированным центробежным насосом (рис. 1.2).
Как и обычный центробежный насос, кавитатор состоит из цилиндрического корпуса 1 в котором установлен вал 4 с лопастями 5, вал закреплен в корпусе с помощью подшипников 3, закрытых внешними втулками для пре дотвращения оттока обрабатываемого продукта. Вал 2 соединяется с помощью клиноременной передачи со штоком электродвигателя соответствующей мощности. Непосредственно у окна выдачи готового продукта корпус расширяется, соединяясь с неподвижным решетчатым статором 7 дисковой или цилиндрической формы, на самом валу на небольшом расстоянии (как правило, от 0,5-0,1 мм до 1-2 мм) от статора закреплен решетчатый ротор б, повторяющий его очертания. Как видно из рис. 1.2, расположение отверстий в статоре и роторе идентично, диаметр отверстий одинаковый. Эти два элемента - решетчатые статор и ротор являются основными рабочими органами кавитационной установки, обеспечивающими возникновение кавитационного эффекта в жидкой среде.
Таким образом, основным конструктивным принципом устройства кави-тационных установок является наличие двух главных рабочих элементов -решетчатого статора (закрепленного на корпусе установки или являющегося его частью), и решетчатого ротора (закрепленного на валу или являющегося его частью), расположенного за статором по направлению потока обрабатываемого продукта. В начале работы в корпус кавитатора через входное отверстие 8 вводится обрабатываемый продукт, после чего производится включение электродвигателя. Благодаря лопастям 3, расположенным на валу 4, обрабатываемая жидкость подается к статору и ротору кавитатора. Ротор кавитатора, вращаясь с большой частотой, закрывает и открывает проходы для обрабатываемого продукта по всей поверхности рабочего органа кавитатора. Это происходит вследствие единовременного радиального перемещения отверстий ротора (диаметр 0,5-2 мм) по радиусу статора (отверстие — плоскость, отверстие - отверстие).
В этой зоне происходит частичное перемешивание и диспергирование материала. Одновременно, в зоне между статором и ротором образуются микроскопические пузырьки воздуха, которые, перемещаясь с большой скоростью, схлопываются за пределами поверхности статора, образуя ультразвуковые акустические колебания, которые окончательно диспергируют обрабатываемый продукт, не разрушая при этом при этом статор и ротор.
По конфигурации статора и ротора кавитаторы, как было упомянуто выше, могут быть двух типов - с вертикальным расположением плоскости статор-ротор («дисковые» кавитаторы) и горизонтальным («цилиндрические» кавитаторы).
Существует также разновидность дисковой кавитационной установки, называемая «S-эмульгатор». Особенностью S-эмульгатора является то, что отверстия на дисках заменены прецизионно выточенными зубьями.
Увеличение количества концентрических кругов в «S-эмульгаторе», так же как и увеличение количества отверстий для типичных дисковых и цилиндрических кавитаторов, ведет к улучшению измельчения и перемешивания обрабатываемого продукта, но при этом возрастает потребляемая мощность.
Кавитаторы могут работать с жидкостями различной вязкости, вплоть до нетекучих или с органическими и неорганическими материалами высокой мягкости. Подача нетекучих или мягких материалов осуществляется с помощью насоса.
Все описанные установки, едины по сущности происходящих в них физических процессов. Явление гидроакустической кавитации создаётся в них за счет быстрого вращения решетчатого ротора относительного неподвижного решетчатого статора. При этом за счет быстрой смены положений отверстий или зубьев возникает явление гидравлического удара, при котором образуются воздушные пузырьки, которые, схлопываясь, порождают ультразвуковое излучение.
В результате попеременного открытия-закрытия отверстий ротора-статора относительно друг друга между плоскостями статора и ротора создаётся возмущающий поток жидкости высокого давления. Одновременно за пределами пластин статора и ротора возникают значительные сдвиговые напряжения, приводящие в условиях пониженного давления (по сравнению с давлением между пластинами статора-ротора) к холодному закипанию жид кости (собственно эффект кавитации). При этом в зоне соударений струй возникают центры парообразования в виде кавитационных микропузырьков, которые уносятся потоком жидкости и растут до размеров, достигающих нескольких миллиметров. Образование пузырьков происходит за пределами рабочих органов кавитационной установки.
Попадая в зону расширения потока, где его давление возрастает, пузырьки начинают уменьшаться в размерах и схлопываются. В силу свойств жидкости схлопывание пузырьков происходит асимметрично и сопровождается образованием кумулятивной струйки, ударяющей с большой скоростью в противоположную стенку пузырька. Попадание в зону удара струйки твердых частиц или инородных жидкостей приводит к их активному разрушению (дроблению), так как давление в зоне схлопывания достигает нескольких тысяч МПа.
Интенсивное воздействие на жидкость микроударов, кавитационных разрывов, растяжений и ультразвуковой вибрации приводит к измельчению частиц дисперсной фазы и образованию устойчивых эмульсий и суспензий [168].
В НГАСУ (Сибстрин) были проведены эксперименты по использованию диспергаторов кавитационного действия при получении тяжелых и легких бетонов. Подвергнутые кавитационным воздействиям композиции, в отличие от традиционных композиционных материалов, могут позволить получать бетоны с улучшенными качественными характеристиками.
Изменение прочности мелкозернистого бетона в зависимости от параметров процесса активации цемента
Анализ литературных данных показывает, что гидратационная активность цемента зависит от таких факторов как состояние поверхности его частиц, дисперсность, минеральный состав. Большую роль играет дефектность структуры клинкерных минералов. Для активации цементных суспензий целесообразно применять кавитационную обработку.
Исследовано изменение гранулометрического состава порошков кварцевого песка и волластонита, использованных в качестве модельных составов, при обработке в гидродинамическом диспергаторе. Концентрация водной суспензии измельчаемых материалов при обработке изменялась от 40 до 70 % мае, время обработки - от 40 до 300 с. После обработки в указанных режимах существенного изменения гранулометрического состава кварцевого песка не наблюдается. Это обусловлено высокой твердостью (7 по шкале Мооса) и прочностью частиц кварца. После обработки порошка волластонита (твердость 4,5-5,5 по шкале Мооса) в гидродинамическом диспергаторе происходит изменение гранулометрического состава. При повышении концентрации водной суспензии наблюдается увеличение среднеобъемного диаметра частиц волластонита. Оптимальная концентрация суспензии составляет 50-60 % мае.
3. После обработки порошка волластонита в гидродинамическом диспергаторе в течение 60 с при концентрации водной суспензии 60 % мае. происходит изменение его структуры и частичная аморфизация. Это проявляется в снижении интенсивности и увеличении ширины основного рефлекса минерала на рентгенограммах и в частичном его смещении. Отмеченные изменения структуры волластонита после обработки в гидродинамическом диспергаторе обусловливают повышение его активности, что проявляется в значительно более четкой кристаллизации псевдоволластонита после перекристаллизации материала при 1300 С (по сравнению с перекристаллизованным исходным волластонитом).
4. Оптимальными параметрами активации цементной суспензии в гидродинамическом диспергаторе являются: время обработки 50 с и концентрация суспензии 60 % мае. При этом материалу сообщается энергия 70,7 кДж/кг или 0,03 Дж/см поверхности частиц. Более существенное влияние оказывает время активации. Прочность мелкозернистого бетона на активированном цементе после 7 сут. твердения достигает марочного значения для бетона того же состава на неактивированном вяжущем. После 28 сут. нормального твердения прочность бетона на активированном вяжущем превышает прочность бетона на неактивированном вяжущем на 45%. Повышение прочности достигается за счет введения большего количества активированных частиц. Заметного влияния активированного цемента на гидратацию неактивированного не обнаружено. Зависимость прочности при сжатии образцов цементного камня от содержания активированной суспензии является прямолинейной.
5. Активация цемента в гидродинамическом диспергаторе существенно сокращает сроки его схватывания - начало на 40,7 %, конец на 26,5 %. Активность цемента повышается с 30,6 МПа до 43,2 МПа. Водоотделение снижается на 56,7 %.
6. Тепловлажностная обработка позволяет получить бетон, превосходящий по прочности неактивированный более, чем в 2 раза. При этом не только устраняется снижение прочности бетона вследствие его тепловлажностной обработки по сравнению с нормальным твердением, но и полученные образцы превосходят по прочности на 40 % контрольные образцы после 28 суток нормального твердения.
7. Использование цементной суспензии, активированной в гидродинамическом диспергаторе в течение 60 с при концентрации 60 % мае, обеспечивает повышение прочности при сжатии тяжелого бетона в возрасте 28 суток на 28,4 %, повышение его водонепроницаемости на 2 марки (до W6), повышение морозостойкости на 1 марку (до F100).
8. Введение добавки суперпластификатора «Полипласт СП-1» (аналога С-3) в активируемую в течение 60 с цементную суспензию с концентрацией 60 % мае. обеспечивает повышение прочности тяжелого бетона в ранние сроки твердения (3 суток) более, чем в 2 раза, в более поздние сроки (28 суток) - на 36,7 %. Оптимальная концентрация добавки составляет 0,6 % от массы цемента.
Использование предлагаемых методов активации цемента позволяет снизить расчетные затраты на единицу стоимости товарной продукции (бетона) на 19 %. Эффект обеспечивается за счет повышения класса выпускаемого бетона без существенного увеличения себестоимости его производства.
Получение тяжелого бетона на активированном цементе с пластификатором
Отмечено существенное ускорение набора прочности бетона в начальные сроки твердения, прочность активированного бетона превышает прочность неактивированного после 3 суток более чем на 100 % (рис. 5.4). Подобный эффект описан также в работе [174]. Превышение прочности активированного бетона над неактивированным после 28 суток составляет 25,7 %.
Для исследования возможности управления подвижностью бетона без изменения концентрации суспензии при активации, доли активированного цемента, а также для обоснования наиболее технологичного пути такого управления, было изучено влияние дозировок добавки на свойства бетонной смеси и бетона при активации.
Использовался тот же состав бетона, что и в предыдущем опыте. Дозировки добавки: 0,3-0,8 % от массы цемента с шагом 0,1 % в пересчете на сухое вещество. Результаты испытаний приведены в таблице 5.5. Получена зависимость подвижности бетона от дозировки добавки (рис. 5.5), которая подтверждает отмеченное ранее снижение подвижности бетонной смеси при активации, при этом характер кривой существенно не отличается от аналогичной зависимости для неактивированного бетона, лишь при высоких дозировках характер кривой имеет тенденцию к изменению, однако на практике дозировки суперпластификатора выше 1 % используются редко и в настоящей работе не рассматриваются. Это указывает на отсутствие либо незначительное влияние дополнительных факторов при активации. Таким образом, при формировании консистенции системы значение имеют только концентрация суперпластификатора (дозировка) и снижение подвижности при активации. Эти величины предсказуемы и поддаются контролю. Динамика набора прочности активированного бетона при различных дозировках добавки существенно не отличается, однако различия в значениях прочности очевидны (рис. 5.6). Максимальная прочность достигается при дозировке добавки 0,6 % от массы цемента в пересчете на сухое вещество, она составляет на 28 сутки 38,4 МПа и превышает аналогичный показатель неактивированного бетона на 36,7 %.
Анализируя варианты распределения молекул суперпластификатора по частицам цемента, проведем расчет для оптимальной дозировки добавки. Расчет ведется на 100 г цемента. Таким образом, суммарная поверхность частиц цемента, принимая во внимание его удельную поверхность (2550 см7г) и диспергирование - 280000-320000 см2. Количество добавки 0,6 %, соответственно, 0,6 г или 1,8-10"4 моль (принимая средневзвешенную молярную массу олигомерного полиметиленнаф-талинсульфоната с числом полимеризации 10-14 равной 3300 г/моль). Число молекул добавки 6,02-1,8-1019=1,1-Ю20 шт. Известно, что одна молекула цепочечного углеводорода занимает площадь (0=0,205 нм2 для жирных кислот по данным [206] или со=0,25 нм2 для спиртов по данным [203]. Для разветвленной молекулы полиметиленнафта-линсульфоната, включающей нафталиновые кольца и активные сульфогруп-пы принимаем со=0,3 нм2=0,3-10"14 см2. Таким образом, расчетная теоретическая площадь, занимаемая молекулами добавки составляет 0,3-10"14-1,1-1020=330000 см2. Расчетным путем установлено, что концентрация полиметиленнафта-линсульфоната натрия в системе, соответствующая дозировке добавки 0,6 % от массы цемента, близка к концентрации, необходимой для образования монослоя молекул ПАВ на поверхности частиц цемента. Это приводит к возникновению оптимальных условий для упаковки, уплотнения и взаимодействия частиц цемента и заполнителей, что способствует набору максимальной прочности цементного камня. При диспергировании цементной суспензии с пластификатором распределение молекул ПАВ между частицами цемента наиболее равномерное и полное. Во всех случаях для обеспечения одинаковой осадки конуса при активации цемента требуется большее количество добавки, чем для неактивирован- ного бетона. Эта разница снижается при увеличении осадки конуса от 2 до 10 см и возрастает при увеличении осадки конуса до 16 см (рис. 5.7, 5.8). Опытно-промышленные испытания проводились на базе ЗАО «Завод ЖБИ-12» с использованием промышленного гидродинамического дисперга-тора кафедры Строительных материалов и специальных технологий НГАСУ (Сибстрин). Характеристики установки: мощность двигателя 7 кВт; производительность по воде 120 м3/час. Особенностью применяемой установки является наличие 5-ти пар статор-ротор, закрепленных на одной оси, что позволяет быстрее достигать необходимых значений приложения энергии. Для обеспечения приблизительного соответствия условий активации в промышленной и лабораторной установке, конец циклической обработки при активации определялся температурой суспензии - 80 С, соответствующей температуре суспензии при обработке в лабораторной установке при оптимальных параметрах. С применением метода активации цемента было изготовлено 4 м бетона ВЗО П4 по рецептуре завода. Данные по контрольному составу взяты из журналов заводского контроля.
