Содержание к диссертации
Введение
1 Современное состояние вопроса об электрогидравлическом эффекте и высоковольтной импульсной активации для получения прочных и стойких бетонов . 8
1.1. Электрогидравлический эффект и его применение в строительстве 9
1.2. Активация цементных и бетонных смесей при искровых разрядах 13
1.3. Задачи исследования по выяснению влияния высоковольтной активации на прочность, ползучесть и морозостойкость бетона. 18
2 Методика исследования влияния высоковольтной импульсной активации на физико - механические свойства тяжелого бетона и результаты поисковых экспериментов . 20
2.1. Методика исследования влияния высоковольтного импульсного уплотнения (ВИУ) на тяжелый мелкозернистый бетон. 20
2.2. Результаты поисковых экспериментов. Динамика роста прочности активированного бетона. Характер ударных волн, возникающих при высоковольтных импульсных разрядах в цементно-песчаных смесях. 26
2.3. Методика экспериментов по выявлению влияния различных способов активации на прочность и плотность бетона и определения деформаций бетонов на высоковольтно - активированном затворителе (бето-новЗОВИ) и контрольных. 32
2.4. Методика испытания образцов активированного бетона при длительном нагружении. 39
2.5. Методика испытаний изгибаемых элементов на моделях балок. Расчет по нормальным сечениям 47
2.6. Методика электрохимической активации затворителя (ЭХА). 53
3 Результаты экспериментов по повышению эффективности бетонов высоковольтной импульсной обработкой . 55
3.1. Результаты экспериментов по обработке бетонов, подвергнутых высоковольтному импульсному уплотнению. 55
3.2. Достоинства и недостатки метода ВИУ. 61
3.3. Результаты экспериментов по выявлению нарастания прочности бетонов затворенных активированной водой и контрольных 63
3.4. Анализ результатов испытания образцов бетона ЗОВИ, а также затворенного высоковольтно - активированной водоцементной суспензией (ВАС). 64
3.5. Прочность бетонов на электрохимически активированном затвори теле и контрольных. 72
3.6. Результаты экспериментов по температурной активации затворите ля 73
3.7. Ползучесть высоковольтно - активированного бетона. 75
3.8. Сравнительная прочность изгибаемых элементов из бетона ЗОВИ и контрольного. Расчет по нормальным сечениям. 77
3.9. Выводы из экспериментов по высоковольтной активации. 79
4. Влияние высоковольтной импульсной активации на физико - химические процессы при твердении цемента и бетона . 80
4.1. Основы теории взаимодействия части заполнителя в условиях волнового поля бетонной смеси при импульсных воздействиях . 80
4.2. Предполагаемый механизм воздействия падающих и отраженных ударных волн на бетонную смесь при высоковольтных импульсных разрядах. 85
4.2.1. Первая стадия твердения. 86
4.2.2. Протекание химических процессов. 93
4.2.3. Вторая стадия твердения. 94
4.3. Физико-химические процессы при твердении цемента и бетона. 100
4.3.1. Механизм взаимодействия кристаллов минералов с водой. 108
4.3.2. Сравнительный контроль реакции гидратации цемента по электросопротивлению твердеющего цементного раствора. 111
4.4. Структура чистого затворителя. Влияние примесей на его свойства. 113
4.5.Физико-химические свойства высоковольтно - импульсно - активированного затворителя. 115
4.6. Структурообразование активированного бетона как переходный физический процесс и его основные характеристики 123
4.7. Выводы. Физико - химический механизм активации бетона. 133
5. Экономическая эффективность и учет экологических условий применения высоковольтной импульсной активации бетонов . 135
6. Основные выводы и рекомендации по применению методики высоковольтной импульсной активации затворителя и бетонной смеси . 138
Список литературы. 140
- Активация цементных и бетонных смесей при искровых разрядах
- Анализ результатов испытания образцов бетона ЗОВИ, а также затворенного высоковольтно - активированной водоцементной суспензией (ВАС).
- Основы теории взаимодействия части заполнителя в условиях волнового поля бетонной смеси при импульсных воздействиях
- Структурообразование активированного бетона как переходный физический процесс и его основные характеристики
Введение к работе
Актуальность исследований: Одним из путей увеличения эффективности железобетонных строительных комструкиий является повышение качества конструкционных бетонов. Увеличение прочности, плотности, коррозионной стойкости бетонов позволяет продлить срок службы конструкций и уменьшить эксплуатационные расходы. В этом плане перспективными являются технологии, построенные на использовании передовых и экологичных методов активации.
В данной работе рассматриваются свойства бетонов, подвергнутых активации с применением высоковольтной импульсной обработки. Эта технология базируется на использовании электрогидравлического эффекта, изменяющего свойства затворителя и бетонной смеси. Сюда относятся высоковольтное импульсное уплотнение (ВИУ) бетонных смесей и бетоны на за-
творителе, обработанном высоковольтными импульсами (бетоны ЗОВИ).
В научно - технической литературе недостаточно сведений о природе эффекта прироста прочности и стойкости высоковольтно активированного бетона, теоретических предпосылок и достоверных результатов влияния различных факторов на качество бетона, а именно, величины удельной энергии активации затворителя и бетонной смеси, длительности обработки, вида и концентрации различных добавок в бетонной смеси. В свете вышеизложенного, необходимо проведение научных исследований бетонных смесей, активированных высоковольтной обработкой.
Целью работы является разработка теоретических предпосылок и
практических рекомендаций, выявление оптимальных параметров примене
ния высоковольтной импульсной активации для улучшения прочностных и
деформативных свойств бетонов. Для достижения поставленной цели были
решены следующие задачи: определены зависимости прочности и стойкости
активированных бетонов от вида и состава заполнителей, водоцементного от
ношения, концентрации различных добавок в бетонной емеси в условиях вы
соко! ольтной обработки. ...:.:.
4 Народно-хозяйственный эффект решаемой проблемы состоит в применении созданной технологии, позволяющей экономить вяжущее, в первую очередь при приготовлении активированной бетонной смеси, которая может быть использована в производстве сборных и монолитных бетонных и железобетонных конструкций, а также при реконструкции зданий, что позволит сэкономить материальные ресурсы и вовлечь в оборот продукты переработки отслуживших срок железобетонных конструкций. : ,
Научная новизна работы. Впервые предлагается научное обоснование эффекта высоковольтной активации бетонной смеси на основе пластифицирующего действия импульсной обработки бетонной смеси. Установлено, что пластифицирующий эффект вызван концентрированным полифакторным воздействием высоковольтных импульсов на компоненты смеси. Изучены физико-химические явления, возникающие при электрогидравлическом эффекте в затворителе, механизм изменения: свойств воды затворения (рН, вязкость) после высоковольтных импульсных воздействий в соответствии с теорией макромолекулярного строения воды. Установлены закономерности и изучен механизм гидратационного твердения активированного вяжущего.
На защиту выносится:
представления о природе и механизме гидратации вяжущего на активированном затворителе;
теоретические предпосылки и результаты экспериментального анализа параметров высоковольтной активации бетонных смесей;
составы, свойства и технология производства активированных бетонов;
схемы оборудования для высоковольтной импульсной обработки бетонной смеси и затворителя для улучшения физико-механических свойств бетона;
предложения по применению методики высоковольтной импульсной обработки и оптимальных ее параметров в безотходной в технологии
5 производства строительных материалов.
Практическая ценность работы
Разработана технология высоковольтной обработки бетонной смеси в процессе замешивания и после укладки в формы или обработки затворителя для увеличения прочности и долговечности железобетонных конструкций. Определены закономерности формирования структуры активированного цементного камня и бетона, что может найти применение в производстве бетонных изделий для объектов, эксплуатируемых в агрессивных условиях и при реконструкции промышленных и гражданских зданий. Данная методика обработки компонентов бетонных смесей является экологически чистой и может быть применена в качестве одной из составных частей в безотходной технологии.
Реализация работы. Проведены опытно-промышленные испытания и рекомендовано внедрение метода высоковольтной активации на предприятиях строительно - производственного акционерного общества "Ангарское управление строительства" (г. Ангарск).
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на научно - практических конференциях «Современные технологии и научно - технический прогресс», АГТИ (г. Ангарск 1996-99 г.) , на межрегиональной научно-практической конференции «Строительный комплекс Востока России. Проблемы, перспективы, кадры» (г. Улан-Удэ, 1999г.), научной конференции преподавателей и сотрудников ВСГТУ (Улан-Удэ, 2000г.).
Публикации. Основные положения диссертации отражены в 10 печатных работах.
Объем работы Диссертация состоит из введения и шести глав. Работа изложена на 146 страницах, в том числе содержит 136 страниц текста, 43 рисунка, 5 таблиц , список литературы из 96 названий.
Активация цементных и бетонных смесей при искровых разрядах
Суть высоковольтной импульсной активации заключается в использовании для повышения прочности и стойкости бетона физического явления, возникающего при высоковольтном пробое жидкости, называемого электрогидравлическим эффектом. Средой для получения электрогидравлического эффекта (ЭЭ) может служить любая жидкость. Наиболее удобной является техническая вода. ЭЭ легко проявляется в сосуде, заполненной жидкостью или пастообразной смесью. На рисунке 1.2 показана принципиальная схема генератора импульсных токов ГИТ-50/16, используемого для активации бетона и затвори-теля.
На первый взгляд кажется, что для повышения подвижности атомов очень просто использовать тепловую энергию, т.к. при повышении температуры увеличивается кинетическая энергия атома (КТ), амплитуда колебаний возрастает и атом относительно легко преодолевает потенциальный барьер. Однако, несмотря на простоту и широкое применение отмечается ряд недостатков этого способа [6]. Можно даже утверждать, что современная технология тепловой обработки препятствует достижению максимальной прочности. Это происходит потому, что повышение температуры приводит к ускорению процесса твердения, а следовательно и к резкому возрастанию потенциальных барьеров, которые тормозят дальнейшие диффузионные процессы и образование новых связей.
В этом случае образование новых кристаллических соединений приводит к торможению процесса диффузии, т.к. в твёрдом теле явления переноса протекают со значительно наименьшей скоростью. Рассмотрим возможности применения механической энергии. Этот вид энергии может быть введён в материал при помощи механических колебаний. Предположим, что на систему, состоящей из п атомов, при заданной температуре (КТ = const) начинает действовать периодическая сила. Тогда каждый атом будет испытывать ускорение Ц?2 а, изменяющееся 2пЛраз в секунду. Но т.к. частота механических колебаний несоизмеримо меньше собственной частоты колебаний атома W«v, то вполне вероятно, что за время одного цикла направление собственных колебаний атома совпадает с направлением возмущающей силы
F = W am (m - масса атома) и направлением выхода из потенциальной ямы. Величина работы возмущающей силы будет U — Fx ; (х - перемещение атома за один цикл).Это перемещение за один цикл можно оценить как X—W аг/2, что даёт полную работу Uo) = C2d W (С2 - постоянный коэффициент).
На основании вышеизложенного можно утверждать, что при воздействии интенсивных механических колебаний процесс перехода атомов значительно активизируется, т.к. часть энергии, необходимой для перехода, сообщается атомами за счёт механических колебаний. А это означает, что подвижность атомов увеличивается, т.к. в этом случае: (р=(р0е (1.1.) Приведённое выражение показывает, что независимо от состояния вещества процессы переноса атомов могут быть активизированы за счёт воздействия механических колебаний. Принципиальное отличие эффекта воздействия механической энергии от тепловой заключается в том, что механические колебания увеличивают подвижность атомов за счёт возрастания их кинетической энергии при постоянной величине потенциальных барьеров, в то время как тепловая энергия вызывает в процессе структурообразования бетона возрастание потенциальных барьеров при одновременном повышении кинетической энергии атомов.
Тепловая энергия увеличивает скорость структурообразования, но не повышает конечной прочности, в то время как механическая энергия, наоборот, несколько затормаживая начальный этап структурообразования, приводит к увеличению числа связей и повышает конечную прочность бетона (см. стр126 рис. 4.13, кривые 4 и 5).
Приведённые зависимости также далеки от идеальной кривой. Рассмотрим возможности применения электрической энергии. Совершенно очевидно, что бетон как в стадии структурообразования, так и после окончания процесса твердения обладает исключительно низкой электропроводностью. Тогда задача о влиянии электрической энергии на процесс структурообразования сводится к рассмотрению бетона как диэлектрика, находящегося в электромагнитном поле.
Следовательно, воздействие переменного электрического поля вызывает повышение температуры и ускорение химических реакций. Но ускорение реакции определяется вынужденными колебаниями (переходами) отдельных атомов или ионов аналогично тому, как это происходит при воздействии механических колебаний высокой частоты. Таким образом, применение электрической энергии в виде электромагнитного переменного поля является исключительно мощным средством для активации процессов структурообразования, т.к. её использование позволяет не только увеличивать подвижность атомов с чисто механической точки зрения, но и резко повышает температуру, т.е. ускоряет процесс структурообразования.
Авторы отмечают, что образцы активированного цементного камня имеют повышенное количество новообразований по сравнению с эталоном и они распределены равномерно и в активированных образцах меньше пористость.
По данным авторов [6] при обработке бетонной смеси токами высокой частоты (со = 0,1...50 МГц) для получения прочности (0,6....0,7)R требуется всего 5... 10 мин, т.е. достигается ускорение процесса твердения почти в тысячу раз. Наблюдается выделение тепловой энергии непосредственно в самом бетоне за счёт диэлектрических потерь, а температура равномерно повышается по всей толщине изделия.
Отмечается также, что электрическую энергию можно использовать в трёх вариантах: постоянное напряжение, переменное напряжение промышленной частоты и переменное напряжение высокой частоты. Что же касается механических колебаний, то их следует применять во всех случаях независимо от использования других видов энергии.
Исследования [14; 18] показали, что наибольшее повышение прочности можно получить при изготовлении образцов из активированного цементного теста искровыми разрядами. Авторы [18] отмечают, что искровой разряд в жидкой обрабатываемой среде характеризуется тем, что при плотности тока в основной стадии разряда, достигающей 10 А/см , образуются электромагнитные поля в широком диапазоне частот, а плотность энергии, выделяющейся в начале разряда сравнима с плотностью лучших взрывчатых веществ и составляет более 5x103 Дж/см3. Температура плазмы канала разряда может достигать нескольких тысяч градусов . Благодаря малой сжимаемости жидкости и ее инертности при большой скорости расширения канала разряда возникает ударная волна, амплитуда давления которой может достигать нескольких тысяч МПа. Ударные волны с определенной частотой следования можно рассматривать как волны в пределах спектра гармонических колебаний и ультразвуковых частот. Распространяясь во все стороны от канала разряда, они воздействуют на жидкость и взвешенные в ней твердые частицы. Закономерность процессов при искровых разрядах в воде можно использовать для качественной оценки явлений, происходящих в цементных, цементно-песчаных и бетонных смесях . Авторы [18] предполагают, что при обработке растворных и бетонных смесей искровыми разрядами должно происходить разрушение рыхлых коагуляцион-ных структур и диспергирование цементных частиц .
Во ВНИОМШСе [17] исследуемые смеси обрабатывали в герметичном стальном сосуде цилиндрической формы вместимостью 10 л . В качестве положительного электрода использовали стальной стержень диаметром 10 мм, изолированный сверху трубкой из вакуумной резины. Рабочая часть электрода на длине 15...20 мм не изолирована. Отрицательный электрод жестко закреплен внутри бака напротив положительного .Расстояние между электродами устанавливали таким, чтобы амплитуда давления ударной волны была максимальной ( затухание тока в разрядном контуре должно быть близким к единице). Режим работы установки контролировался осциллографом ОК-17М, регистрирующим ток в разрядном контуре с помощью безиндукционного шунта. Генератор импульсных токов состоял из выпрямителя мощностью 4.5 кВ, зарядного и разрядного контуров, а также устройств управления и защиты. Накопителями электрической энергии служили конденсаторы типа ИМГ-80/1. В качестве формирующего промежутка использовали шаровой разрядник. Индуктивность разрядного контура составила 10 мкГН. Напряжение на конденсаторе-накопителе устанавливали 60...70 кВ .
В обработанных искровыми разрядами растворных и бетонных смесях, а также в эталонах определяли подвижность, удельное электрическое сопротивление, прочностные показатели, водонепроницаемость и температуру. Обработку смесей искровыми разрядами осуществляли при энергии единичного разряда 2000 Дж . Авторы [18] показывают, что с увеличением разрядов уменьшается подвижность смесей, увеличивается удельная поверхность цемента, увеличивается прочность. Петрографические исследования показали, что повышается диспергирование цементных частиц .Выявлено также, что с увеличением энергии единичного разряда до 4000 Дж прочностные показатели растворов увеличиваются.
Анализ результатов испытания образцов бетона ЗОВИ, а также затворенного высоковольтно - активированной водоцементной суспензией (ВАС).
Из всего комплекса факторов влияния высоковольтного импульсного разряда на цементный раствор и бетонную смесь можно выделить два главных: это диспергирующее действие прямой и отраженной ударной волны на зерна цемента в первой стадии твердения а также ионизирующий эффект высоковольтной дуги на затворитель.
Дальнейшее осмысление процесса активации привело к выводу о нецелесообразности высоковольтной укладки бетонных массивов в силу указанных выше причин. Все последующие эксперименты были направлены на изучение влияния параметров обработки затворителя на конечные свойства бетонов марочного возраста.
Поскольку в стадии растворения важна концентрация силикатов кальция в растворе, поэтому водоцементное отношение всегда участвует в экспериментах как один из переменных факторов. Второй фактор варьируется.
При обработке воды затворения ВИВ в результате действия мощной ударной волны от встряхивания макромолекулы (элементарные льдинки) разбиваются на молекулы, которые омагничиваются и ионизируются от пробоя, тем самым повышая химическую активность воды. Проведены эксперименты по влиянию серии импульсов (оті до 5) напряжением 36 кВ при обработке воды затворения бетона на его прочность.
На рисунке 3.7 видно, что бетон на ионизированной воде прочнее контрольного, но наибольший прирост прочности наблюдался при обработке воды 1 импульсом, что подтверждает предположение о положительном эффекте активации, но в оптимальных пределах. Моноимпульс при дискретных значениях удельной энергии активации наиболее оптимален не только потому, что прирост прочности бетона максимальный но и также, поскольку энергоемкость процесса активации несоизмеримо возрастает, то и сама активация становится нецелесообразной.
Разбавленный обработанный затворитель теряет активность, и чем больше разбавление, тем больше потеря активности. Это подтверждено экспериментально в опытах на уменьшение удельной энергии активации. Если обработанную воду разбавлять в различных пропорциях, то удельная энергия дробится. Образцы бетонных кубиков показали прочность не только не превышающую контрольную, но и по некоторым опытам даже меньшую. Разбавление активированного затворителя нейтрализует находящиеся в нем ионы и сводит на нет весь эффект активации.
Ранее рассматривались свойства обработанной воды, в частности, вязкость. Предполагалось, что такая вода, будучи менее вязкой, глубже проникает в зерно на стадии растворения, но, все - таки, основное пластифицирующее действие проявляется в стадии коллоидации, поскольку при более глубоком проникновении воды в зерно цемента, образуется большее количество цементного геля и это положительно сказывается как на реологии смеси, то есть более плотную упаковку вследствие большей подвижности бетона ЗОВИ, но и на структуру сформированного цементного камня, а следовательно и бетона. Следовательно, повышение вязкости затворителя всего на один процент ведет к повышению прочности уже на несколько процентов.
Энергия ионизации является результирующим значением. Слагаемым из нескольких составляющих, суммарная величина которого достаточна для протекания диссоциативно - ассоциативных явлений в обрабатываемой среде. Энергия Ец характеризует процесс диспергирования зерен цемента. Она обусловлена предельными значениями характеристик формируемых факторов, в том числе соблюдением порога кавитации.
На данном этапе исследования было решено проверить предположение о целесообразности совместной обработки затворителя и части цемента в растворе (водоцементной суспензии). Возможно, это поможет усилить положительный эффект высоковольтной обработки. При импульсе одновременно улучшаются свойства как затворителя, так и активизируются зерна цемента. Причина дополнительного прироста во первых, состоит в том, что зерна цемента как вступившие в реакцию в более ранние сроки, являются в дальнейшем центрами кристаллизации цементного камня, во-вторых, при обработке в ограниченном объеме зерна цемента домалываются, что в свою очередь повышает степень гидратации.
Вследствие протекания электрического импульса, влияние электрического и магнитного полей на водоцементные системы должно проявляться с большей эффективностью в начальный период активации, когда удельной энергии моноимпульса, преобразованной в акустический и гидравлический КПД, оказывается недостаточно для диспергирования цементного теста. Эффективность активации на начальном этапе обработки должна увеличиваться и по той причине, что одновременное наложение на суспензию магнитного и электрического полей не приводит к нейтрализации действия друг друга, так как сферы их воздействия раздельны.
Эффективность воздействия магнитного поля в значительной степени зависит от ионного состава воды. Следовательно, магнитное поле в основном действует на ионы, образованные из растворенных солей. Это объясняется тем, что значение диамагнитной восприимчивости ионов больше, чем молекул воды. Взаимодействие поляризованных ионов с молекулами воды приводит к тому, что последние приобретают индуцированный магнитный момент. Энергия водородных связей вследствие этого изменяется, связи частично разрушаются, что приводит к изменению взаимного расположения молекул и, следовательно, структуры воды.
Наложение на водно-цементные системы постоянного поля большой напряженности Еп приводит к явлениям электролиза воды и электрофореза, то есть движения заряженных частиц в магнитном поле. Это способствует вовлечению слоев воды, расположенных за пределами канала электрического разряда, в различные окислительные реакции. Следовательно, первоначальный импульс приводит к существенному изменению ионного состава суспензии и возникновению в воде поляризованных групп.
При обработке цементного раствора некоторым количеством электрических разрядов удельная энергия возрастает и с каждым последующим импульсом действие ударной волны, парогазового пузыря, кавитационных потоков становятся все более существенными, а действие электромагнитного поля уменьшается. Механическое диспергирование цемента приводит к увеличению его удельной поверхности, морфологической однородности, увеличению плотности и прочности бетона. Таким образом, поочередное выполнение первого или второго условия (3.1 и 3.2) образует два этапа процесса активации.
На первом этапе обработки происходит активация водно-цементных систем путем ионизации, а на втором этапе наблюдается диспергирование цементного раствора.
Опытным путем установлено, что на этапе ионизации минимальное значение удельной энергии составляет от 0,1 до 0,6 кДж/л. На этапе диспергирования энергия ЕуД от 4,8 до 6,1 кДж/л. [70].
Выполнение энергетического условия на этапе ионизации можно осуществить с помощью одного разряда - моноимпульса. Повышение активности воды в растворе обработанным одним разрядом, косвенно указывает и на увеличение прочности активированного бетона.
В целом физико-химический смысл процесса активации может быть представлен следующим образом. На стадии смешивания цемента с водой в процессе гидролиза трехкаль-циевого силиката образуется ионный раствор. Высокая концентрация ионов кальция и сульфат -ионов наблюдается непродолжительное время, так как в течение нескольких минут из раствора начинают осаждаться первые новообразования - гидроксид кальция и эттрингит. После этого насыщение раствора ионами кальция прекращается, скорость растворения клинкерных минералов снижается и наступает очередная фаза гидратации цемента. Прекращение сорбции воды зерном C3S (на глубину 3-4 молекулярных слоев и дальнейшего растворения минерала в количестве одного молекулярного слоя) наступает вследствие появления на поверхности зерен цемента пленки гидрата определенной толщины. В то же время образующиеся соединения связывают большое количество воды, превращая ее в пленочную.
Первоначальный импульс, воздействуя на жидкую фазу в системе вода -цемент, приводит к насыщению суспензии положительно и отрицательно заряженными ионами, что вновь увеличивает скорость растворения минералов цемента.
Основы теории взаимодействия части заполнителя в условиях волнового поля бетонной смеси при импульсных воздействиях
Известно, что основной технологической операцией при изготовлении сборного и монолитного железобетона является уплотнение бетонных смесей, которое, как правило, осуществляется в результате динамических воздействий на среду в виде колебаний, ударов, периодических импульсов и др.
Практика заводского и строительного производства показывает, что виб-роуплотняющие системы, основанные на использовании гармонических форм колебаний не всегда обеспечивают достаточную однородность уплотнения бетонных смесей.
В настоящее время наметилась тенденция перехода на режимы уплотнения с пониженной частотой колебаний [ 19,20 ], виброударные режимы [ 21 ] с горизонтально направленными колебаниями [22]. Импульсные режимы уплотнения [ 23 ] в сочетании с силовым воздействием дают возможность получать однородные структуры, достигать снижения расхода цемента и энергии тепловой обработки .
Основной технологической задачей уплотнения смесей является приведение ее в состояние течения с целью заполнения заданного объема или формы, а также предельного снижения ее пористости путем удаления из нее защемленного воздуха.
Общий цикл уплотнения можно разделить [ 23 ] на три стадии . На первой наблюдается переукладка составляющих, т.к. для этой стадии характерно случайное расположение зерен и воздушных пор, достигающих 20...30 % объема, неполный контакт частиц между зернами. Такое строение с позиции физико-химических и реологических свойств можно классифицировать как систему с неустойчивой структурой и преимущественным влиянием сил сухого трения. Под действием динамической нагрузки система легко переходит во вторую стадию путем перестройки случайной структуры системы в устойчивую в результате переукладки и взаимной ориентации зерен заполнителя.
Этот период, как мы уже рассмотрели выше, характеризуется образованием сольватных оболочек, выделением и обволакиванием жидкой фазы поверхности крупного заполнителя. Создаются условия, когда систему можно представить в виде набора частиц со смазкой. На этом этапе преобладают силы вязкого происхождения, и смесь приобретает свойства текучести и способность к формообразованию. Третья стадия - стадия компрессионного уплотнения, на которой достигается незначительное приращение плотности в результате удаления и воздушных включений [21].
Такое разделение процесса уплотнения диктуется особенностями физико-механических явлений, протекающих в смесях и, в первую очередь, непрерывным изменением реологических свойств. Это требует применения нестационарных режимов уплотнения, так как каждая стадия нуждается в своих оптимальных режимах динамического воздействия.
Определенный научный интерес представляет изучение распространения колебаний при импульсном уплотнении в столбе смесей и условия возникновения резонансных явлений [ 23 ]. Смесь в форме обладает несколькими собственными частотами колебаний, которые зависят от геометрической формы изделия, консистенции и степени уплотнения бетона. Особенности распространения гармонических колебаний в столбе смеси приводят к нежелательным явлениям, как непроработка отдельных зон по высоте, что связано с разрывом сплошности среды, образованием зон пониженного давления и естественной концентрацией воздуха в данной области. Суперпозиция и интерференция волн, наблюдаемые в бетонной смеси, за редким исключением, не способствуют высокой степени уплотнения, создают условия неравномерного распределения энергии колебаний, что приводит к низкому качеству изделий, перерасходу вяжущего. В то же время явление интерференции служит надежным приемом [23 ] для создания однородности уплотнения, например, при ударных и импульсных режимах колебаний .
Автор [ 23 ] рассматривает реологическое состояние смесей при воздействии коротких импульсов, например, t = 1/300... 1/500 с. Механизм вязкого течения объясняется с позиции максвелловской теории релаксационной упругости, в основе которой заложена связь вязкого течения с упругой деформацией сдвига . Уравнение движения слоев смеси или их течения можно записать в виде : d V/dY = (da/dt)/G + a/rj (4.1) где dY - скорость смещения слоя ; G - модуль сдвига ; Г - коэффициент вибровязкости разрушенной структуры ; о - напряжение .
Упруговязкое напряжение при внезапном снятии нагрузки не сохраняет значение G, которое соответствует мгновенной величине упругой деформации и не обращается сразу в нуль, а постепенно снижается до нуля . Решение уравнения движения при начальных условиях а = ао при t = 0 и при введении обозначения ex = T)/G имеет вид : о-=а0е тл (4.2)
Эта зависимость показывает , что падение напряжения после остановки деформации, а в нашем случае, после действия каждого импульса в промежутке, происходит по экспоненциальному закону. Величина т характеризует время релаксации напряжения. В зависимости от частоты динамического воздействия среда может проявлять различные свойства. В одних случаях будут преобладать упругие характеристики, и среда ведет себя как твердопластичное тело, в других - вязкие. Такое изменение свойств связано с частотой динамического воздействия, а для импульсных режимов - длительностью импульсов. Так, смесь проявляет преимущественно вязкий характер в процессе уплотнения смесей путем воздействия низкой частоты колебаний со значительными амплитудами. Колебательные движения преимущественно упругого характера, со слабо развивающимся вязким течением соответствуют ударные и импульсные режимы с продолжительностью действия импульсов менее 1/300... 1/500 сек .
Особенностью ударной технологии, как отмечается в работах [ 24, 25 ], является весьма слабое проявление течения смеси, что приводит к увеличению цикла уплотнения в 2....3 раза . На рис. 1.6.1, а-в приведены осциллограммы колебаний слоев бетонной смеси, полученные от пневмопульсации с частотой 12.4 Гц, а также осциллограмма, снятая в процессе уплотнения на ударной виброплощадке . Проявление вязких характеристик отмечается наличием зоны т, которая является следствием релаксационных явлений и явлений запаздывания .
В опытах с различными по составу смесями выявлено : 1) на начальном этапе преобладают силы сухого трения . Их проявление и продолжительность зависит от подвижности смеси ; 2) для подвижных смесей этот этап исчисляется несколькими секундами, а для умеренно жестких и жестких - десятками секунд ; 3) для первого этапа уплотнения характерны нелинейные формы колебаний системы, несинусоидальное движение частиц, наличие сдвига фаз, различные амплитуды колебаний. На этом этапе происходит формирование структуры бетонной смеси . Этот период длится 30...40 с. ; 4) на второй стадии система характеризуется элементами сухого трения, но преобладают силы вязкого и упругого сопротивления . Этот период составляет около 1/3 общего цикла уплотнения ; 5) резкое снижение сил кулоновского трения характерно для последней стадии уплотнения . Осциллограммы колебаний на данном этапе носят синусоидальный характер, сдвиг фаз колебаний между частицами приближается к нулю, амплитуда колебаний стабилизируется. В предельно разрушенном состоянии среда обладает вязкоупругими свойствами с минимальным показателем вязкости ; 6) для систем, излучающих волновые поля из цилиндрических, сферических и плоских волн , достигается не только быстрый переход систем в состояние течения, но и формирование структуры бетона. Так, при импульсных воздействиях со смещением фазы пульсации наблюдается высокая однородность смесей, способствующая повышению физико-механических свойств материала. Такие условия создаются при пониженных частотах пульсации в пределах 15...20 Гц .
Выявлено также [ 26,27,28,29 ], что для удаления пузырьков воздуха различного диаметра требуется определенный диапазон частот, причем с уменьшением радиуса пузырьков вынужденная частота колебаний должна существенно повышаться вплоть до звукового и ультразвукового диапазонов.
На основании изложенного легко объясняется увеличение плотности и прочности бетонов, уплотненных с использованием ударных режимов уплотнения, воздействием поличастотных режимов с высокой частотой и частот ультразвукового диапазона . Для повышения прочности и плотности растворов целесообразно использовать ультразвуковой диапазон колебаний, который создает условия удаления воздушных образований малого диаметра . На этой основе предложена акустическая технология .
При наличии пузырьков в широком диапазоне размеров следует воздействовать режимами, включающими спектр необходимых частот. С увеличением частоты [ 23 ] происходит рост скорости всплытия, максимум которой наступает в области 60 Гц .
Из выше изложенного следует, что действие периодических кратковременных импульсов на бетонную смесь способствует как плотности упаковки ее составляющих, так и удалению защемленного воздуха.
Структурообразование активированного бетона как переходный физический процесс и его основные характеристики
Рассмотрим основные параметры, определяющие как структуру бетона, так и степень совершенства технологического процесса. Для этого используем элементарное решение задачи о процессе структурообразования, которое заключается в определении зависимости прочности бетона от времени. Не касаясь основных положений о твердении вяжущих, которые изложены в соответствующей литературе, будем считать, что сразу после приготовления бетонной смеси в каждом элементарном объеме содержится щ частиц (атомов), между которыми могут возникать силы взаимодействия, определяющие строение и прочность образующейся структуры.
Наличие термодинамической неустойчивости в период структурообразо вания приводит к возникновению сложного переходного процесса, количественно характеризующегося числом атомов, выделяющихся из раствора и вступающих во взаимодействие друг с другом, т. е. скоростью образования кристаллических зародышей. Количество атомов, вступающих во взаимодействие, очевидно, зависит от общего числа атомов п0, времени протекания процесса t, а также от степени подвижности каждого атома . Тогда, принимая во внимание, что рассматриваемый промежуток времени dt очень мал, можно представить следующую зависимость для количества атомов, вступающих во взаимодействие: dn=-(pndt. (4.5)
В приведенном уравнении знак минус означает, что с течением времени количество свободных атомов По уменьшается. Понятие свободные атомы п0 будем условно применять для атомов, способных к образованию кристаллической структуры.
Параметр ф- подвижность атома - может быть представлен как величина, обратная времени "оседлой" жизни атома 9, в течение которого рассматриваемый атом находится в данной точке. Количество оставшихся в свободном состоянии атомов, т. е. не вступивших во взаимодействие в данный момент времени t, определится после интегрирования уравнения (1.1) с учетом начальных условий ltt=o=fto П—ПоЄ д . (4.6)
Тогда, очевидно, количество атомов, образующих кристаллическую решетку, т. е. вступивших во взаимодействие, может быть определено как разность Пи=По t п=щ(1-е р) (4.7)
Но прочность бетона R6 определяется как количеством образованных связей в единице объема Пк, так и прочностью отдельной связи Fc: Re=KiniFe Учитывая, что количество связей пропорционально числу атомов, вступивших во взаимодействие, получим
Это уравнение определяет зависимость прочности бетона от времени, то есть, характеризует процесс твердения и достаточно хорошо подтверждается экспериментально. Так, исследования авторов показывают, что как при использовании разрушающих методов испытания, так и при измерении скорости звука для бетона на шлаковых, пуццолановых и портландцементных в диапазоне температур от О до 40 С наблюдается достаточно хорошее соответствие уравнения (4.8) экспериментальным данным.
Графически теоретическая зависимость R(t) [уравнение (4.8)] представлена на рис. 4.13 кривой 1, а экспериментальная - кривой 2. С точки зрения изучения основных параметров, определяющих процесс структурообразования, уравнение (4.8) позволяет выяснить их количество и характер влияния. і У І«3 7 s S е А с г/ з/г 1 Зремя
Действительно, это уравнение показывает, что в первом приближении величина прочности и скорость твердения определяются прочностью межатомных (межионных) связей Fc, количеством взаимодействующих атомов (ионов) п0 и их подвижностью ф. Тогда, если принять, что минералогический состав бетона или раствора, строго определен, то практическое решение задачи об управлении процессом структурообразования заключается в определении таких способов внешнего воздействия, которые бы могли изменить основные параметры процесса Fc, щ, ср. В идеальном случае эта задача сводится к тому, чтобы в минимальный срок получить максимальную прочность, т. е. добиться протекания процесса твердения в соответствии с кривой 3, изображенной на рис. 4.13. Рассмотрение этого вопроса начнем с изучения прочности отдельно образующейся связи между двумя частицами Fc. Для этого предположим, что в данном объеме бетона (исключая объем заполнителя) имеется Пф атомов (ионов), между которыми возможно взаимодействие. Важнейшей физической величиной этого взаимодействия является потенциальная энергия U, которая является только функцией координат атомов (ядер)
Это уравнение показывает, что независимо от направления смещения (.х 0,х 0) энергия, системы возрастает (AU=U(r)-UMUp 0), т. е. отклонение от положения равновесия вызывает термодинамическую неустойчивость. А это значит, что для образования термодинамически устойчивой структуры (х=0) необходимым условием является обеспечение строго определенного количе ства взаимодействующих атомов в единице объема Пф=п0 которые распола гаются на расстояниях г=г0. В этом случае каждая связь будет характеризо ваться предельной прочностью на растяжение Fo=J32/4y, определяемой из ус ловия а прочность материала будет равна: R=K1n0F0=K1noP2/4y (4.16)
В действительности данное уравнение является справедливым для идеальной кристаллической решетки из однородных атомов. Что же касается такого разнородного материала, как бетон, в состав которого входят около 20 разнообразных химических элементов, то под величиной К\ следует подразумевать коэффициент, учитывающий разнопрочность химических связей и статистическое распределение, так как в единице объема могут быть связи с прочностью во всем диапазоне от Fc=0 до Fc—Fij=p2/4y
Справедливость уравнения (4.16) для бетонов и растворов подтверждается тем, что обширные экспериментальные данные свидетельствуют о наличии следующей зависимости между прочностью на сжатие R и модулем упругости Е: R—K2E , где К2- коэффициент пропорциональности.
Если учесть, что сила взаимодействия определяется как F=dU(r)/dr, а модуль упругости линейной системы E=dF(r)/dr-d2U(r)/dr2, то после дифференцирования уравнения (4.16) находим Ел=/3.
Учитывая, что на единицу площади сечения приходится n&l/rl связей, получаем следующее уравнение для модуля упругости и прочности
