Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса 10
1.1. Роль дисперсных минеральных материалов и их поверхности в структурообразовании бетонов 10
1.1.1. Наполнители в составе цементобетона 10
1Л .2. Минеральные порошки в составе асфальтобетона 17
1.2. Использование дисперсного техногенного сырья при производстве бетонов 25
1.3. Модифицирование поверхности дисперсных материалов с целью повышения качества композитов 30
1.4. Теоретические предпосылки исследований 34
2. Характеристика исследуемых материалов и методы исследований 38
2.1. Характеристика материалов, принятых для исследований 3 8
2.2. Методы исследований 49
2.2.1. Методы исследований характеристик сырьевых материалов 49
2.2.2. Методы исследования поверхностных свойств минеральных материалов 49
2.2.3. Методы исследований свойств цементобетона 51
2.2.4. Методы исследований свойств асфальтобетона 52
3. Влияние ультрафиолетового облучения дисперсных минеральных материалов на их свойства 55
3.1. Влияние параметров УФ-облучения на изменение концентрации активных центров на поверхности наполнителей 55
3.2. Изменение влагопоглощения наполнителей в результате УФ-облучения 67
Выводы 76
4. Мелкозернистые бетоны на основе минеральных наполнителей из техногенного сырья, модифицированных ультрафиолетовым облучением 78
4.1. Изменение водопотребности дисперсных материалов 78
4.2. Исследование влияния модифицирования наполнителей на взаимодействие с цементом 82
4.3. Исследование фазового состава новообразований и контактной зоны 87
4.4. Подбор составов мелкозернистого бетона 90
4.5. Влияние УФ-облучения на физико-механические характеристики цементобетона 94
4.6. Исследование долговечности цементобетона на УФ-облученных наполнителях 101
Выводы 106
5. Асфальтобетон на модифицированных ультрафиолетовым облучением минеральных порошках из техногенного сырья 107
5.1. Влияние модифицирования на свойства минеральных порошков 107
5.2. Изменение физико-механических характеристик асфальтобетона в результате УФ-облучения наполнителей 112
5.3. Влияние УФ-активации минерального порошка на долговечность асфальтобетона 120
5.3.1. Изменение водостойкости асфальтобетона 120
5.3.2. Старение битума в процессе приготовления асфальтобетонной смеси 125
5.3.3. Влияние погодно-климатических факторов на свойства асфальтобетона 129
Выводы 132
6. Технико-экономическое обоснование применения метода УФ-модификации наполнителей из техногенного сырья при производстве бетонов 134
6.1. Технология производства бетонов с использованием модифицированных УФ-облучением наполнителей 134
6.2. Экономическая эффективность применения метода УФ-модификации наполнителей при производстве бетонов 137
6.2.1. Производство цементобетона 137
6.2.2. Производство асфальтобетона 144
Основные выводы 152
Список литературы 154
Приложения 178
- Роль дисперсных минеральных материалов и их поверхности в структурообразовании бетонов
- Характеристика материалов, принятых для исследований
- Влияние параметров УФ-облучения на изменение концентрации активных центров на поверхности наполнителей
- Исследование влияния модифицирования наполнителей на взаимодействие с цементом
Введение к работе
Актуальность проблемы. На современном этапе развития строительства проблема повышения качества и долговечности цементо- и асфальтобетонов может быть успешно решена путем создания новых технологий модифицированных бетонов. В этой связи научно-практический интерес представляют технологии, в которых используются высокоэффективные технические приемы, например, применение дисперсных минеральных наполнителей в присутствии активаторов широкого спектра действия.
Взаимодействие наполнителей с вяжущим оказывает большое влияние на основные физико-механические характеристики и долговечность бетона. При использовании дисперсных материалов значительную роль в процессах структурообразования играет состояние их поверхности, определяющее прочность контактов в системе «вяжущее - наполнитель». С целью усиления адгезии наполнителей к вяжущему и повышения их структурообразующей роли на основе анализа механизмов контактных взаимодействий в наполненных композиционных строительных материалах разработаны различные пути активации наполнителей, одним из которых является модифицирование с помощью ультрафиолетового (УФ) облучения.
Актуальность исследования активации УФ-облучением наполнителей из скальных попутнодобываемых пород и отходов горнорудного производства месторождений Курской магнитной аномалии (КМА), а также поиск их рационального содержания в составе композитов, заключается в возможности расширения сырьевой базы минеральных добавок и получения на их основе высококачественных цементо- и асфальтобетонов. К тому же это позволит, в определенной мере, решить проблему утилизации техногенных отходов региона КМА и, тем самым, улучшить в нем экологическую обстановку.
Цель и задачи исследований. Целью настоящей работы является повышение эффективности цементо- и асфальтобетонов на основе техногенного
6 сырья, модифицированного УФ-облучением.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
исследование зависимости активности поверхности дисперсных минеральных материалов из техногенного сырья бассейна КМА от параметров УФ-облучения и установление их влияния на взаимодействие на границе раздела фаз «наполнитель — вяжущее»;
разработка составов цементо- и асфальтобетонов с обоснованием рациональных пределов содержания в них модифицированных УФ-излучением наполнителей;
исследование физико-механических характеристик и долговечности полученных бетонов;
подготовка нормативно-технической документации для внедрения в производство результатов работы.
Научная новизна. Установлено, что гидроксильный покров поверхности исследуемых материалов значительно различается, и УФ-облучение по-разному влияет на состояние воды и ее фрагментов на поверхности материалов. Под действием УФ-облучения на поверхности наполнителей увеличивается количество обменных центров, которые определяют активность адсорбционных взаимодействий в контактной зоне системы «наполнитель - вяжущее».
Выявлен характер изменений гидрофильно-гидрофобных свойств поверхности дисперсных материалов под воздействием УФ-облучения, выражающийся в замедлении скорости регидратации и снижении влагопоглощения по сравнению с необработанными материалами, что повлияло на водопотребность и битумоемкость наполнителей.
Обоснованы оптимальные параметры УФ-активации для каждого материала, при которых наблюдается наибольшее снижение влагопоглощения, а обменная емкость имеет максимальное значение.
Установлена зависимость активности поверхности наполнителей от времени их выдержки после УФ-облучения. Показано, что с течением времени
количество активных адсорбционных центров на поверхности наполнителей снижается до минимального значения, после чего поверхность стабилизируется.
Доказано, что за счет влияния УФ-модифицированных наполнителей на процессы структурообразования с неорганическим и органическим вяжущим происходит образование более прочной структуры композита, что значительно улучшает его физико-механические характеристики и способствует повышению долговечности.
Обоснованы рациональные пределы содержания модифицированных наполнителей в бетоне, обеспечивающие высокое качество получаемого материала.
Практическая ценность. Разработаны составы цементо- и асфальтобетонов с высокой прочностью, водостойкостью, устойчивостью к воздействию погодно-климатических факторов за счет интенсивного взаимодействия вяжущих с поверхностью модифицированных наполнителей.
Установлено, что при замене 10% массы цемента активированным наполнителем возможно получение бетонов с прочностными показателями на 30-50% выше, чем у композитов без наполнителя. При получении равнопрочных бетонов УФ-активированными наполнителями может быть заменено 23% цемента при использовании наполнителей из кварцитопесчаника и отходов ММС и 20% цемента при использовании наполнителей из кварцевого песка и шлака ОЭМК.
Применение УФ-обработанных минеральных порошков в составе асфальтобетонных смесей позволяет на 8-10% уменьшить расход битума.
Показано, что использование УФ-излучения в качестве метода активации минеральных материалов обеспечивает более широкое и эффективное использование техногенного сырья региона КМА в дорожном строительстве, что обусловливает снижение затрат на строительство и эксплуатацию автомобильных дорог.
Реализация работы. Для внедрения результатов научно-исследовательской работы при строительстве, ремонте и реконструкции автомобильных дорог разработан технологический регламент на «Производство бетонов мелкозернистых с модифицированными ультрафиолетовым излучением наполнителями из попутнодобываемых пород и отходов КМА для дорожного строительства».
Теоретические положения диссертационной работы и результаты экспериментальных исследований используются в учебном процессе при подготовке инженеров по специальности 270205.
Апробация работы. Основные положения, разработанные в диссертации, представлены на Всероссийской научной конференции студентов и аспирантов «Молодые исследователи - регионам» (г. Вологда, 2005 г.); Международной научно-практической Интернет-конференции «Современные методы строительства автомобильных дорог и обеспечение безопасности движения» (г. Белгород, 2007 г.); Международной научно-практической конференции «Научные исследования, наносистемы и ресурсосберегающие технологии в стройиндустрии» (г. Белгород, 2007 г.); Международной научно-практической конференции «Эффективные конструкции, материалы и технологии в строительстве и архитектуре» (г. Липецк, 2007 г.); Международной научно-технической конференции молодых ученых и аспирантов «Современные технологии строительства и эксплуатации автомобильных дорог» (г. Харьков, 2008 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 научных работ, в том числе 2 статьи в научных журналах по списку ВАК РФ.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, общих выводов и приложений. Работа изложена на 204 страницах машинописного текста, включающего 28 таблиц, 32 рисунка и фотографии, список литературы из 218 наименований, 2 приложения.
Работа выполнена на кафедре "Автомобильные дороги и аэродромы" БГТУ имени В.Г. Шухова.
Автор выражает благодарность научному руководителю д.т.н., профессору Ядыкиной В.В. за оказанную помощь в проведении исследований и обсуждении результатов работы.
Роль дисперсных минеральных материалов и их поверхности в структурообразовании бетонов
Согласно формулировке Ю.М. Баженова [1]: «бетоном называют искусственный каменный материал, получаемый в результате затвердевания тщательно перемешанной и уплотненной смеси из минерального вяжущего вещества с водой, мелкого или крупного заполнителей, взятых в определенных пропорциях».
Для получения такого материала необходимо знать не только сущность процессов структурообразования цементного камня, полученного в различных условиях твердения, но и физико-химическую сущность тех процессов, которые протекают в зоне контакта цементного камня с заполнителем и обусловливают сцепление между ними [2]. В связи с этим особое значение принимает разработка уточнённых зависимостей «состав - структура - свойство».
Структура цементобетона является важным фактором, обусловливающим его свойства и поведение в процессе эксплуатации, и определяется количественным соотношением, взаимным расположением составляющих компонентов и характером связи между ними.
В процессе формирования структуры бетона и ее последующего твердения изменяется не только прочность бетона, но и другие свойства: пористость, тепловыделение, электропроводность и т. д. Процессы формирования структуры сопровождаются объемными изменениями: в зависимости от условий твердения бетон может либо увеличиваться, либо уменьшаться в объеме; последнее происходит чаще и носит название усадки. Все эти изменения более значительны на первоначальном этапе формирования структуры и особенно в период превращения псевдожидкой структуры бетонной смеси в твердую структуру бетона и постепенно затухают с возрастом бетона [3].
Особенностью бетонов служит их ярко выраженная гетерогенность с различием в размерах отдельных компонентов, более чем на четыре десятичных порядка. Это позволяет представить бетон как полиструктурный материал, в котором структура нижнего, произвольно выбранного масштабного уровня, является элементом структуры более высокого уровня [4]. В работе выделеноь два таких уровня, отличающихся механизмами формирования и разрушения структур: микроуровень с характерной структурной неоднородностью «вяжущее - наполнитель» и макроуровень с неоднородностью типа «растворная часть - заполнитель».
Под структурной неоднородностью следует понимать различные или одинаковые фазы материала, взаимодействующие через поверхность раздела -область изменения состава, свойств и перераспределения формаций и напряжений между составляющими композиционных материалов [5]. Для каждой структурной неоднородности существуют свои опасные дефекты, количество, вид и ориентация которых определяет основные свойства композита. В связи с этим следует уделять особое внимание процессам генезиса при формировании структуры бетона на микро- и макроуровнях.
Основой для формирования структуры бетона на макроуровне, способной выдержать весь комплекс эксплуатационных воздействий, как на первом этапе ее формирования, так и в дальнейшем, является заполнитель.
Как установлено [6], заполнитель не является инертным структурным элементом бетона, а оказывает влияние на процессы гидратации и формирование структуры материала в целом. Влияние это зависит от особенностей заполнителя и сказывается прежде всего на структуре цементного камня в зоне контакта с ним.
Введенный в цементное тесто заполнитель вследствие проявления поверхностных сил сокращает период формирования структуры, причем чем выше содержание заполнителя и его удельная поверхность, тем больше его влияние. Это аналогично уменьшению водоцементного отношения. В то же время степень ускорения структурообразования зависит от кристаллохимического соответствия минералов новой фазы и заполнителя и от поверхностного химического взаимодействия между ними. Минералы заполнителя, родственные по своей физико-химической природе гидратному новообразованию, играют роль подложек, на которых образование и рост новообразований происходят интенсивнее, чем в объёме [7].
Наличие заполнителя существенным образом влияет на условия твердения цементного камня. В бетоне взаимодействие цемента с водой и его твердение происходят в тонких прослойках между зернами заполнителя при постоянном взаимодействии с ним. Заполнитель повышает водоудерживаюшую способность цементного теста, ограничивает усадочные деформации, способствует образованию кристаллического каркаса цементного камня, влияет на изменение температуры и влажности в твердеющем цементном камне.[1].
Являясь основной составляющей бетонной смеси, заполнитель оказывает влияние на соотношение исходных компонентов, определяет реологические свойства бетонной смеси.
Достаточно большое количество работ [8-11] посвящено исследованию влияния заполнителей различной природы на свойства бетона. Жесткий скелет из высокопрочного заполнителя несколько увеличивает прочность и модуль деформации бетона, уменьшает деформации под нагрузкой, а также ползучесть бетона - необратимые деформации, возникающие при длительном действии нагрузки. Кроме того, заполнитель уменьшает усадку бетона, способствуя получению более долговечного материала. Из-за неравномерности усадочных деформаций возникают внутренние напряжения и даже микротрещины. Заполнитель воспринимает усадочные напряжения и в несколько раз уменьшает усадку бетона по сравнению с усадкой цементного камня.
Характеристика материалов, принятых для исследований
При разработке месторождений рудных полезных ископаемых в зону горных работ ежегодно попадают десятки миллиардов тонн пород, отличающихся от традиционного сырья стройиндустрии своим происхождением, составом и строением.
Для проведения исследований использовались следующие материалы: 1. Отсев дробления кварцитопесчаника Лебединского ГОКа Курской магнитной аномалии. 2. Отходы мокрой магнитной сепарации железистых кварцитов Лебединского ГОКа Курской магнитной аномалии. 3. Шлак Оскольского электрометаллургического комбината (ОЭМК). 4. Природный кварцевый песок Нижнеольшанского месторождения. 5. Портландцемент ЦЕМI 42,5 Белгородского цементного завода. 6. Битум нефтяной дорожный БНД 60/90 производства ОАО «ЛукойлНижегороднефтеоргсинтез». Кварцитопесчаники Кварцитопесчаники Лебединского ГОКа Курской магнитной аномалии исследовались в работах [40,84,192,193].
Кварцитопесчаники - одна из скальных вскрышных пород, вмещающих железную толщу и расположенных по всей площади железорудных месторождений Курской магнитной аномалии. Внешне кварцитопесчаники массивные, почти сливные кварцевые породы белой, серой, розовато-серой и реже зеленовато-серой окраски. Для них характерна массивная, реже нечетко выраженная грубополосчатая текстура. Структура, в основном, мелкозернистая с размером зерен 0,02...2,0 мм. По данным химического и гранулометрического анализа содержание кварца составляет 73,4...95 %. Остальные минеральные материалы представлены мусковитом, биотитом, реже хлоритом, фукситом, альбитом, калиевым полевым шпатом. Их количество иногда достигает 10...20%. Кварц представлен угловато-окатанными, а также остроугольными и прямоугольными зернами.
Кварцитопесчаники, как горная порода, обладают весьма совершенной геологической структурой, определяющей их высокую прочность относительно других горных пород. Анализ результатов физико-механических испытаний кварцитопесчаников Лебединского месторождения свидетельствуют об их высоком качестве. Физико-механические свойства кварцитопесчаников: плотность: истинная 2645 кг/м3, средняя 2622 кг/м ; пористость 0,81 %, морозостойкость более 150 циклов, прочность при сжатии: перпендикулярно слоям 165 - 277 МПа, параллельно слоям 47-97 МПа; прочность при расколе: перпендикулярно слоям 10,3 - 17,3 МПа, параллельно слоям 2,9 - 6,1 МПа; временное сопротивление сжатию: в сухом состоянии 156 МПа, в водонасыщенном состоянии 136 МПа, через 25 циклов замораживания... 126 МПа; коэффициент размягчения 0,97, коэффициент морозостойкости... 0,92, водопоглощение... 0,17 %.
При дроблении кварцитопесчаники обогащаются чистым кварцем с низким содержанием попутных минеральных примесей. Алюмосиликаты, пирит, карбонат накапливаются в наиболее крупных фракциях (более 20 мм) и наиболее мелких (менее 0,63 мм). Форма зерен дробленого кварца остроугольная, с раковистым изломом.
Наряду с уменьшением количества SiC 2 при переходе от более крупной фракции к более мелкой повышается содержание Fe2C 3, FeO, А12Оз, СаО и КгО. Это вызвано тем, что размер минералов, содержащих перечисленные оксиды, меньше чем кварца. При дроблении и классификации содержание этих оксидов увеличивается за счет пассивного накопления.
Щебень из кварцитопесчаников, не подвергшихся выветриванию, отличается высоким качеством, не уступая по важнейшим показателям гранитному, а по ряду свойств даже превосходя его [194].
В работе также использовался отсев дробления кварцитопесчаника, гранулометрический состав которого представлен в таблице 2.2. Физико-механические характеристики песка из отсева дробления кварцитопесчаника. Модуль крупности 2,73; группа песка крупный; насыпная плотность, 1552 кг/м ; средняя плотность, 2645 кг/м ; морозостойкость более 150 циклов; содержание глины в комках 0,17 %; марка по прочности 1000; содержание глинистых частиц, определяемое методом набухания, % по массе 0,3 %.
Отходы мокрой магнитной сепарации железистых кварцитов Отходы мокрой магнитной сепарации железистых кварцитов (ММС) Лебединского горно-обогатительного комбината, визуально представляют собой техногенный тонкодисперсный песок темно-серого цвета, состоящий из неокатанных частичек кварца (около 60%), полевых шпатов, амфиболов, карбонатов, магнетита, гематита и их агрегатов. Модуль крупности значительно меньше 1, около 80-85 % частичек - меньше 0,074 мм, средневзвешенный диаметр 0,08-0,13 мм. Запасы такого песка в отвалах КМА составляют сотни миллионов тонн, что позволяет рассматривать их в качестве мощной сырьевой базы для промышленности строительных материалов.
Зерна отходов мокрой магнитной сепарации состоят из мономинеральных и полиминеральных агрегатов, состоящих из кварца, магнетита, гематита и других минералов. Частицы отходов ММС представлены обломками кварца неправильной формы с шероховатой поверхностью. На поверхности зерен имеются заостренные и выщербленные места. Мономинеральные зерна агрегатов состоят преимущественно из кварца остроугольной, несколько вытянутой формы, с ярко выраженным раковистым изломом и шероховатой
Влияние параметров УФ-облучения на изменение концентрации активных центров на поверхности наполнителей
Анализ состояния поверхности дисперсных материалов и механизмов контактных взаимодействий в наполненных композиционных строительных материалах позволяет наметить пути активации наполнителей с целью усиления их адгезии к связующему и повышения структурообразующей роли. Создание достаточно прочных адгезионных контактов в системе связующее — минеральный материал возможно лишь в том случае, если наполнитель обладает значительной поверхностной активностью.
Для установления закономерностей между параметрами УФ-облучения и изменением состояния поверхности дисперсных минеральных материалов были подготовлены навески наполнителей одинаковой массы с удельной поверхностью 350 м /кг. В качестве источников УФ-излучения служили кварцевая лампа Q-139 общей потребляемой мощностью 250 Вт и УФ-излучатель Gardasun Powertower - 6000 общей потребляемой мощностью 6000 Вт. Максимальная продолжительность времени обработки составила 20 минут. Мощность облучения (плотность электро-магнитного потока) при этом регулировалась выбором источников излучения и изменением расстояния до наполнителя. В таблице 3.1 приведены используемые при проведении опытов изменяемые параметры и соответствующие им мощности облучения.
Установлено, что УФ-облучение оказывает значительное влияние на концентрацию активных центров на поверхности всех исследуемых минеральных материалов. Анализ результатов, представленных на рис. 3.1-3.3 показал, что зависимость обменной емкости от времени облучения для всех материалов носит экстремальный характер.
При обучении наполнителей мощностью 45 Вт/м (рис. 3.1) максимальная концентрация обменных центров наблюдается при времени облучения 10-12 минут для кварцитопесчаника, 12-15 минут - для отходов ММС, 7-10 минут - для песка и 15 минут - для шлака ОЭМК.
При увеличении мощности облучения до 55 Вт/м2 наблюдается смещение максимумов обменной емкости в сторону уменьшения времени воздействия ультрафиолета (рис. 3.2). При этом, величина обменной емкости так же, как и при меньшей мощности облучения, значительно возрастает: для кварцитопесчаника она увеличивается на 108 %, для отходов ММС - на 103 %, для кварцевого песка - на 106 % и для шлака ОЭМК — на 96 %.
При использовании для модифицирования поверхности УФ-излучателя большей мощности, создающего плотность электромагнитного потока выше 300 Вт/м , значительно сокращается время, при котором достигается максимальное значение обменной емкости. облучения 300 Вт/м показали, что максимальное увеличение концентрации обменных центров на поверхности кварцитопесчаника происходит уже через 100 секунд обработки, на поверхности отходов ММС - через 120 секунд, на поверхности песка и шлака ОЭМК максимальная величина обменной емкости наблюдается 80 и 160 секундах соответственно (рис. 3.3).
При мощности электро-магнитного потока 500 и 700 Вт/м время формирования на поверхности дисперсных материалов наибольшего количества протонодонорных обменных центров практически одинаково и составляет для кварцитопесчаника 45-60 секунд, для отходов ММС - 60-75 секунд, для кварцевого песка - 30-45 секунд и для шлака ОЭМК - 75-90 секунд (рис. 3.4).
Таким образом, при увеличении мощности УФ-облучения, время, при котором достигается максимальная концентрация обменных центров на поверхности дисперсных материалов значительно уменьшается.
Экстремальный характер кривых обменной емкости связан с процессами дегидратации и дегидроксилирования, происходящими на поверхности дисперсных минеральных материалов при облучении и приводящими к образованию изолированных, не связанных водородными связями, активных гидроксильных групп, которые обусловливают ионообменные свойства УФ-облученных наполнителей. Последнее можно объяснить тем, что в процессе регидроксилирования и регидратации поверхности наполнителей при их контакте с гидроксидом кальция происходит эквивалентный ионный обме
Исследование влияния модифицирования наполнителей на взаимодействие с цементом
Бетон является основным конструкционным и защитным материалом, универсальным по свойствам, малоэнергоемким и простым по технологии производства. Тем не менее, капилляро-пористая гетерогенная структура бетона является сложной и существенно влияет на его свойства [27].
В общем случае, структуру бетона можно разделить на два уровня: микроуровень с характерной структурной неоднородностью «вяжущее -наполнитель» и макроуровень с неоднородностью типа «растворная часть — заполнитель». При этом, структура нижнего, произвольно выбранного, масштабного уровня является элементом структуры более высокого уровня и поэтому характер взаимодействий ее компонентов определяет основные физико-механические свойства композиционного материала [4].
Авторами [16] установлено, что с ростом концентрации и дисперсности наполнителя возрастает прочность коагуляционных структур цементных систем, которая пропорциональна произведению числа контактов между частицами на прочность каждого контакта. При достаточной концентрации частиц наполнителя в водно-цементной матрице создаются условия для благоприятного соотношения процессов возникновения зародышей кристаллов и их роста, что ведет к формированию мелкокристаллической структуры цементного камня с пониженным напряжением срастания кристаллов. В результате обеспечивается прочное срастание между кристаллами гидратов и зернами наполнителей.
Исследование поверхности тонкодисперсных минеральных добавок в работе [13] показало, что ее влияние на гидратационную активность цементных минералов обусловлено в большей степени наличием кислотных бренстедовских центров.
Проведенные в главе 3 исследования, свидетельствуют о значительной разнице в активности исследуемых материалов, подвергнутых УФ-облучению. При этом, определение количества активных обменных центров методом ионообмена с гидроксидом кальция позволяет прогнозировать, что наибольшую активность по отношению к цементу и продуктам его гидратации будут проявлять наполнители, активированные при оптимальном времени обработки.
Для подтверждения гипотезы относительно положительного влияния УФ-облучения наполнителей на усиление их адгезии к цементу и повышения структурообразующей роли были изготовлены образцы-балочки размером 25x25x100 мм состава цемент : наполнитель - 1:3. Активация осуществлялась лампой Q-139, расположенной на расстоянии 0,3 м от поверхности наполнителей, что обеспечивало мощность УФ-облучения 45 Вт/м . Образцы твердели в нормальных условиях.
Из графиков, представленных на рисунке 4.2, видно, что УФ - облучение благотворно влияет на поверхностные свойства наполнителей, увеличивая их сцепление с цементным камнем. По полученным результатам, можно заключить, что наибольшая прочность образцов в возрасте 28 суток достигается при оптимальном времени облучения, которое для кварцитопесчаника составляет 10 минут, для отходов ММС - 12 минут, для песка и шлака ОЭМК — 7 и 15 минут соответственно.
Следует отметить, что в процентном соотношении прирост прочности образцов с модифицированными наполнителями из кварцитопесчаника и отходов ММС увеличивается в среднем на 25% - при изгибе и на 34% - при сжатии. Тогда как образцы с наполнителями из кварцевого песка и шлака ОЭМК обеспечивают меньший прирост прочности, что объясняется невысокой концентрацией активных адсорбционных центров на их поверхности.
Полученные результаты полностью подтвердили высказанное предположение относительно активации гидратационных процессов цемента УФ-облученными наполнителями.
Для установления взаимосвязи между количеством протонодонорных центров на поверхности наполнителей и их сцеплением с цементом построен график зависимости увеличения прочности образцов, состоящих из смеси цемента с УФ-модифицированными наполнителями из кварцитопесчаника, отхода ММС, кварцевого песка и шлака ОЭМК, от прироста концентрации обменных центров на поверхности этих дисперсных материалов в результате УФ-активации (рис. 4.3).
Из рис. 4.3 видно, что наблюдается чёткая взаимосвязь между количеством кислотных центров на поверхности наполнителей и прочностью образцов, приготовленных с их использованием, что согласуется с данными [13,24,205].
Как известно [24], наполнитель может оказывать в соответствии со своей природой каталитическое воздействие на гидратацию цемента. Взаимодействуя на начальном этапе гидратации преимущественно с водой, поверхность наполнителя изменяет два основных ее свойства, характеризующих активность, - кислотно-основное и окислительно-восстановительное. Мерой изменения первого свойства воды является рН системы, мерой второго - электродный потенциал. Поскольку реакции гидратации клинкерных минералов являются преимущественно основными, то активирующими будут наполнители, сдвигающие рН системы в более низкие значения. С точки зрения значений электродного потенциала и представлений о восстановительных свойствах цементных минералов, сдвиг электродного потенциала в сторону более положительных значений может способствовать положительному катализу.
Основными равновесиями воды, как известно, являются: В связи с этим, вещества, способствующие акцептированию воды или ОН-группы, по электронно-донорной кислородной паре, будут способствовать понижению рН системы и в итоге росту ее гидратационной активности. Для обеспечивания такого связывания поверхность твердого тела должна обладать кислотными бренстедовскими центрами, что связано с их активирующим гидратационные процессы влиянием по возможным схемам [13]:
Поэтому увеличение концентрации кислотных бренстедовских центров на его поверхности наполнителей приводит к более глубокой степени окисления и, соответственно, к более высокой степени положительного катализа.
Испытания образцов-балочек такого же состава, но подвергнутых тепловлажностной обработке, показали большее увеличение прочности по сравнению с образцами нормального твердения в течение 28 суток (рис. 4.4). Так, при оптимальном времени облучения прочность при изгибе образцов с использованием всех исследуемых наполнителей возросла на 30-39 % , при сжатии - на 33 4 %, что объясняется более глубокой гидратацией цемента при пропаривании.
