Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Современные представления о получении цементных композитов с оптимальной структурой
1.1. Влияние рецептурно-технологических факторов на физико механические свойства цементных структур 9
1.2.Физические методы воздействия на воду затворения 14
1.3. Ультразвуковой метод активации компонентов цементной смеси 21
1.4.Выводы по главе 1 28
ГЛАВА 2. Характеристика материалов. методика проведения исследований и обработка результатов измерений
2.1. Характеристика материалов 29
2.2.Методы исследований физико-химических и реологических характеристик цементного камня и растворов 33
2.3. Методы исследований физических и химических свойств воды и водных растворов 38
2.4. Обработка результатов экспериментальных исследований 46
ГЛАВА 3. Разработка методики изменения энергетического состояния воды затворения низкоэнергетическим ультразвуковым полем .
3.1.Особенности и физико-технические характеристики аппаратурного оформления 50
3.2. Теоретическое обоснование режима воздействия ультразвукового поля по изменению энергетического состояния воды 63
3.3. Методика перевода воды в метастабильное состояние 73
3 АВыводы по главе 3
Глава 4. Влиянрїе ультразвукового поля на физико-химические свойства воды в ультразвуковом поле
4.1. Энергия ультразвуковой волны 78
4.2. Структура воды в ультразвуковом поле 83
4.3. Диссоциация молекул воды 90
4.4. Снижение жесткости воды и образование центров кристаллизации ..92
4.4. Растворяющая способность воды 94
4.6. Метастабильное состояние воды. Релаксационная теория 99
4.7. Выводы по главе 4 105
ГЛАВА 5. Исследование влияния воды затворения в метастабильном состоянии на свойства цементных систем
5.1. Структурообразование цементно-песчаной смеси в присутствии воды в метастабильном состоянии 106
5.2. Исследование кинетики гидратации цементного раствора 110
5.3. Исследование прочностных характеристик структуры цементно-песчаных образцов различного состава 114
5.4. Изменение морозостойкости цементно-песчаных материалов при затворении их водой в метастабильном состоянии 120
5.5.Оценка эксплуатационной стойкости цементного камня на основе воды в метастабильном состоянии по кинетике дефектообразования в период формирования структуры 123
5.6.Эксплуатационные свойства штукатурного раствора, приготовленного на основе воды в метастабильном состоянии 127
5.7. Выводы по главе 5 135
Основные выводы 137
Литература
- Ультразвуковой метод активации компонентов цементной смеси
- Методы исследований физических и химических свойств воды и водных растворов
- Теоретическое обоснование режима воздействия ультразвукового поля по изменению энергетического состояния воды
- Снижение жесткости воды и образование центров кристаллизации
Введение к работе
Актуальность работы. Объем производства и применения строительных материалов и изделий на основе цементного вяжущего ежегодно растет, но сокращение запасов традиционных сырьевых и энергетических ресурсов требует постоянного снижения материалоемкости и энергоемкости производства. Решение поставленных задач связано с созданием прогрессивных технологий, обеспечивающих получение строительных материалов с повышенными эксплуатационными характеристиками при минимальных расходах материальных и энергетических средств.
В настоящее время широко используются различные органические и неорганические добавки как один из эффективных способов воздействия на цементное вяжущее. Однако используемые добавки имеют достаточно высокую стоимость. Поэтому на сегодняшний день является актуальным вопрос о разработке альтернативных методов активации процесса твердения цементных систем. Состояние и способ подготовки воды затворения во многом определяет характер процессов гидратации и структурообразования цементных систем. Вода - единственный компонент цементных композитов, инициирующий различные реакции в цементной системе. Поэтому значительное внимание в современной технологии уделяется исходному состоянию жидкости затворения, которая во многом определяет технологические и эксплуатационные свойства полученного материала. Существующие методы воздействия на физико-химические свойства воды затворения, способствуют улучшению физико-механических характеристик цементных систем и практически не требуют изменения основного технологического процесса. Как известно, при направленном действии внешних физических полей (электрических, магнитных, электромагнитных, тепловых, радиационных, механических, звуковых и др.) вода меняет свои свойства. Во многих случаях для активизации химических процессов, осуществления ряда новых путей синтеза и ускорения реакций в системе целесообразно использовать ультразвуковые колебания малой интенсивности. Однако, несмотря на большой интерес к ультразвуковым колебаниям в интенсификации физико-химических процессов в различных отраслях производства, вопрос об использовании низкоэнергетического ультразвукового поля в технологии строительного материаловедения является малоизученным.
Диссертационная работа является актуальной не только потому, что дает возможность получения эффективных строительных материалов на цементном вяжущем, сокращая расход материальных и энергетических средств, но и определяет приоритеты России на пути инновационного развития страны.
Не случайно на расширенном заседании Совета безопасности России 20 июня 2006 г. отмечалось, что один из путей инновационного развития страны заключается в возможности повышения эффективности производства строительных материалов (улучшение их свойств, снижение затрат на производство и т.п.) за счет использования технологий, обеспечивающих изменение структуры и физико-химических свойств воды и исходных материалов.
Научная гипотеза диссертационной работы.
Как известно, для повышения эффективности цементных дисперсных систем необходимо активировать компоненты системы. Вероятно, что подобный эффект можно достичь и путем активации воды затворения. Для чего в воду рекомендуется вводить энергию ультразвукового поля, достаточную для возбуждения молекул воды и изменения ее физико-химических свойств. Предполагается, что при введении воды в метастабильном состоянии в цемент, наблюдается ускорение процесса гидратации, улучшение структуры цементного камня, а также повышение физико-механических и эксплуатационных показателей материала.
Цель и задачи исследований. Целью диссертационной работы является разработка экспериментально-теоретических основ получения эффективных строительных материалов на основе цементного вяжущего путем перевода воды в метастабильное состояние воздействием низкоэнергетического сред-нечастотного ультразвукового поля.
В соответствии с поставленной целью определены следующие задачи:
разработать методику, обеспечивающую высокоэффективную обработку воды затворения при минимальном расходе энергии;
изучить влияние ультразвуковых колебаний на физико-химические свойства воды;
исследовать комплекс физико-механических и эксплуатационных свойств цементных дисперсных систем, затворенных водой в метастабильном состоянии.
Научная новизна работы.
Научно обоснована и экспериментально подтверждена возможность получения эффективных цементных дисперсных систем путем воздействия на воду затворения низкоэнергетического среднечастотного ультразвукового поля вблизи порога кавитации.
Разработана методика перевода воды затворения в метастабильное состояние, позволяющая получать строительные материалы на цементном вяжущем с улучшенными физико-механическими свойствами.
Определена величина вводимой в воду энергии ультразвукового поля, приводящая к изменению физико-химических параметров (плотности, диэлектрической проницаемости, поверхностного натяжения, рН). Выявлено влияние воды, обработанной ультразвуковыми колебаниями, на процесс диспергирования цемента и скорость его растворения.
Установлено, что вода затворения в метастабильном состоянии способствует ускорению процесса гидратации. Структура цементного камня становится более мелкопористой и однородной, что приводит к возрастанию прочности при сжатии цементного камня на 30-37 %; увеличивается прочность при изгибе - на 38 %. Отмечено увеличение адгезионной прочности штукатурного раствора на 20-28 %.
Выявлено повышение стойкости материалов на основе цементного вяжущего при использовании воды затворения в метастабильном состоянии к циклическому замораживанию-оттаиванию.
Основные положения, выносимые на защиту:
-
Теоретические и экспериментальные основы создания методики, обеспечивающей перевод воды затворения в метастабильное состояние воздействием низкоэнергетического ультразвукового поля;
-
Экспериментальные данные по изменению физико-химических свойств воды при введении энергии ультразвукового поля. Влияние воды в метаста-билыюм состоянии на протекание физико-химических процессов в цементных дисперсных системах;
-
Результаты по исследованию изменений физико-механических и эксплуатационных характеристик цементных дисперсных систем, полученных на основе воды в метастабильном состоянии.
Практическая значимость диссертационной работы.
Показана возможность и перспективность получения строительных материалов и растворов на основе цементного вяжущего путем использования воды затворения в метастабильном состоянии.
Разработана методика перевода молекул воды в возбужденное состояние. Показано, что использование воды затворения в метастабильном состоянии позволяет повышать физико-механические и эксплуатационные характеристики строительного материала на основе цементного вяжущего.
Результаты исследований позволяют решать энергетические, экономические и экологические проблемы, связанные с производством строительных материалов на цементном вяжущем.
Реализация результатов исследований. Результаты исследований использованы при изготовлении строительного раствора на предприятии ООО «Стройцентр».
Методические разработки и результаты научных исследований использованы в учебном процессе по направлению 270100 - «Строительство».
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы представлялись и докладывались на международных научно-технических конференциях: «Актуальные проблемы современного строительства» (г. Пенза, 2007 г.), «Актуальные проблемы строительства и строительной индустрии» (г. Тула, 2007), «Актуальные проблемы строительства и строительной индустрии» (г. Тула, 2008); «Актуальные вопросы строительства» (г. Саранск, 2007 г.) «Новые энерго- и ресурсосберегающие наукоемкие технологии в производстве строительных материалов» (г. Пенза, 2007 г.); всероссийской научно-технической конференции «Актуальные вопросы строительства» (г. Саранск, 2007 г.); студенческой научно-технической конференции «Студенческая наука - интеллектуальный потенциал XXI века» (г. Пенза, 2007 г.), «Студенческая наука - интеллектуальный потенциал XXI века» (г. Пенза, 2008 г.); II всероссийской конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Теория и практика повышения эффективности строительных материалов» (г. Пенза, 2007 г); III всероссийской конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Теория и практика повышения эффективности строительных материалов» (г. Пенза, 2008 г); международной научно-мето-
дической конференции «Инновационные технологии организации обучения в техническом вузе на пути к новому качеству образования» (г. Пенза, 2008 г.).
Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 12 работ, из них в журналах по Перечню ВАК - 2.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, основных выводов, списка литературы и приложений. Материал изложен на 154 страницах машинописного текста, включающих 45 рисунков, 16 таблиц.
Автор выражает глубокую благодарность д.т.н., профессору В.И. Логани-ной и д.х.н., профессору Н.Г. Вилковой за оказанную помощь и научные консультации при выполнении и написании отдельных разделов диссертационной работы.
Ультразвуковой метод активации компонентов цементной смеси
В настоящее время широко используются различные органические и неорганические добавки, как один из эффективных способов воздействия на вяжущее - активный компонент цементных систем.
Вводимые в десятых и сотых долях процента к массе цемента, они существенно изменяют процесс твердения, обеспечивают повышение его механических и улучшение физико-технических свойств, в том числе -прочности, водонепроницаемости, морозостойкости, коррозионной стойкости.
Номенклатура применяемых добавок очень обширна. Многие из них специфичны, то есть, воздействуя на одни характеристики бетона, они практически не изменяют другие. [42...44,46,60,115]
К числу модифицирующих добавок, с помощью которых можно направленно регулировать свойства цементных композиций, в первую очередь необходимо отнести следующие: - пластифицирующие: водорастворимый полимер (ВРП-1), лигносульфонаты технические (ЛСТ), соли нафталин- и меламинсульфокислоты (С-3, Дофен и др.); - пластифицирующе-воздухововл екающие: пластификатор адипиновый (ЩСГЖ), нейтрализованный черный контакт (НЧК) и др.; - воздухововлекающие: смола нейтрализованная воздухововлекающая (СНВ), синтетическая поверхностно-активная добавка (СПД), смола древесная омыленная (СДО) и др.; - ускорители твердения: хлористый кальций (ХК), сульфат натрия (СН), нитрит натрия (НН), нитрит кальция (НК) и др. - комплексные полифункциональные добавки на основе пластифицирующих и воздухововлекающих реагентов с ускорителями твердения (ПФМ-НЛК и др.).
В качестве пластификаторов цементных смесей широко используются поверхностно - активные вещества, зачастую являющиеся побочными продуктами (так называемыми «отходами») различных производств. Однако в последнее время для указанных целей стали широко применять специально синтезированные соединения.
Производство поверхностно-активных веществ (ПАВ) началось в конце 50-х годов прошлого столетия, выделившись из химической промышленности в отдельную отрасль. Поверхностно-активные вещества представляют группу продуктов органического синтеза. Особенности молекулярной структуры подобных соединений определяют два их основных свойства: адсорбцию из объема раствора на поверхности раздела фаз и образование крупных ассоциатов (мицелл) в растворе. Благодаря этим свойствам ПАВ находят применение практически во всех отраслях промышленности, сельского хозяйства, транспорта и используются при решении экологических проблем.
Наиболее крупными производителями ПАВ являются США и Япония [122,123]. В нашей стране начало промышленного производства поверхностно-активных веществ относится к середине 50-х годов. Объем использования ПАВ в нашей стране, по сравнению с объемом, применяемым в США значительно ниже [74].
Среди органических соединений, применяемых в качестве добавок к цементным композициям улучшающими свойствами бетонных смесей, следует особо выделить гидрофобизаторы и суперпластификаторы, придающие бетону водоотталкивающие свойства, поризующие цементную часть бетона, пластифицирующие бетонные смеси и в целом - улучшающие свойства цементных систем. Суперпластификаторы (СП) были запатентованы в качестве добавок в 1935 г., но широкое распространение получили лишь в начале 60-х годов прошлого столетия. Эти добавки явились мощным средством улучшения качества изделий из бетона и существующей технологии его производства. Введение СП дает настолько большой разжижающий эффект без снижения прочности бетона, что появилась возможность коренного изменения технологии производства бетонных работ с отказом от использования жестких бетонных смесей и переходом на подвижные и высокоподвижные смеси.
В то же время, СП предпочтительнее вводить в жирные смеси, чем в тощие. Они небезразличны к водоцементному отношению и к жесткости смеси. Реологические свойства, в частности, вязкость бетонной смеси с суперпластификаторами, несколько отличается от таковых с пластификаторами, например, лигносульфонатами [81,93].
Революционным открытием, вторым после появления СП, определяющим получение высокопрочных бетонов на цементах рядового помола, считается использование суперактивных минеральных наполнителей - микрокремнезема и особых высокодисперсных зол ТЭС, не содержащих несгоревших остатков [41]. Такие наполнители способны связывать гидролизную известь портландцемента уже в ранние сроки гидратации (через 1-2 суток твердения). Образование высоко дисперсных гидросиликатов кальция, кристаллизующихся в порах и в контактных зонах более крупных частиц цемента и песка, улучшает структуру цементного камня, способствуя повышению ранней прочности.
Однако используемые добавки имеют достаточно высокую стоимость. Поэтому на сегодняшний день является актуальным вопрос о поиске альтернативных методов активации компонентов бетонной смеси.
Методы исследований физических и химических свойств воды и водных растворов
Экспериментальная часть проводилась как на основе стандартных методов, регламентированных ГОСТ, так и нестандартных, разработанных на кафедре «Физика» и «Химия».
Предел прочности при изгибе и сжатии определялся в соответствии с ГОСТ 10180-90 «Бетоны. Методы определения прочности по контрольным образцам». Перед приготовлением образцов внутреннюю поверхность стенок форм слегка смазывали машинным маслом. Отвешенные песок и цемент высыпали в предварительно протертую влажной тканью сферическую чашу, перемешивали цемент с песком лопаткой. Затем в центре сухой смеси делали лунку, вливали в нее необходимое количество воды и перемешивали смесь до получения однородной консистенции. По окончании перемешивания заполняли раствором подготовленную форму, уплотняли штыкованием металлической штыковкой или использовали вибрационную площадку в течение 3 мин (в зависимости от жесткости раствора). Раствор заглаживали вровень с краями формы с помощью ножа. Для каждого установленного срока испытаний изготавливали по 3 образца. Образцы маркировали. После изготовления образцы в формах хранили 24+1 ч., обеспечивая относительную влажность воздуха не менее 90%. По истечении времени хранения образцы осторожно расформовывали и укладывали в ванну с питьевой водой так, чтобы они не соприкасались друг с другом. Вода покрывала образцы не менее, чем на 2 см. По истечению срока хранения образцы вынимали из воды не позднее 30 мин и подвергали испытанию.
Образец устанавливают на опорные элементы пресса таким образом, чтобы его горизонтальные при изготовлении грани находились в вертикальном положении. Полученные после испытаний на изгиб половинки образцов -балочек испытывали на сжатие по следующей схеме. Половинку образца - балочки помещали между нажимными пластинками таким образом, чтобы его грани, горизонтальные при изготовлении, находились в вертикальном положении, а поверхность с маркировкой была обращена к испытателю. Прочность при изгибе определяли по следующей формуле: RU3S=3Fl/2bh2, (2.1) где F - разрушающая нагрузка, Н; b, h - размеры стороны квадратного сечения образца — балочки, мм; / -расстояние между осями опор. За прочность при изгибе принимали среднеарифметическое значение результатов испытаний трех образцов. Прочность при сжатии R , МПа, отдельных образца - балочки вычисляли по формуле: ReK=F/S, (2.2) где F - разрушающая нагрузка, Н; S - площадь рабочей поверхности нажимной пластинки,мм2. За прочность при сжатии принимали среднеарифметическое значение результатов шести половинок образцов - балочек.
Подвижность смеси определяли в соответствии с ГОСТ 10181.1-81 "Смеси бетонные. Методы определения удобоукладываемости". Подвижность растворной смеси характеризуется измеряемой в сантиметрах величиной осадки конуса, отформованного раствора. Для подготовки конуса и приспособлений к испытаниям все соприкасающиеся с бетонной смесью поверхности очищали и протирали влажной тканью. Конус устанавливают на гладкий металлический лист и заполняют его растворной смесью, уплотняя штыкованием металлическим стержнем. Конус снимали плавно с отформованного раствора. Ручкой вибростола обеспечивали вертикально направленные колебания с одинаковой частотой и числом оборотов. Диаметр растекания растворной смеси измеряли с помощью линейки с точностью 0,5 см.
Морозостойкость исследовалась по методике ГОСТ 10060.2-95 «Бетоны. Ускоренные методы определения морозостойкости при многократном замораживании и оттаивании» по потери прочности при сжатии при циклическом замораживании и оттаивании в среде 5 %-го водного раствора хлорида натрия.
Пластическую прочность или предельное напряжение сдвига смеси определяли по методике Ребиндера П.А. и Семененко НА., с помощью конического пластометра КП-3 [78]. Данный метод основан на внедрении индентора (конуса) в приготовленный состав и состоит в измерении кинетики погружения конуса под действием постоянной нагрузки Р. В момент достижения конусом равновесия, напряжение сдвига т в составе становится равным пределу текучести т0 и определяется по формуле где rj — пластическая прочность, МПа; т — напряжение сдвига; то — предел текучести; к - коэффициент, зависящий от значения вершины угла конуса; для металлического конуса с углом при вершине 30 - к = 1,116/ Р - нагрузка, включая вес подвижной части прибора ; h - глубина погружения конуса в растворную смесь. Усадочные деформации определялись с помощью оптического компаратора ИЗА-2 в условиях близких к реальным: штукатурный раствор наносили на предварительно смоченную поверхность кирпича. Для измерения деформации усадки в образцы вставляли реперы и измеряли расстояние между реперами с течением времени. Деформацию усадки вычисляли по формуле: є _ lo k . 100% (2.4) lo где lo - длина образца (расстояние между реперами) в начальный период твердения, мм; 1; - длина образца в промежуточные периоды твердения, мм. По результатам расчетов строили графическую зависимость кинетики усадки, на основе которых делали выводы.
Оценка поровой структуры материала производилась в соответствии с ГОСТ 12730.4-78 «Бетоны. Методы определения показателей пористости» по показателям кинетики водопоглощения по массе. Данный метод, основанный на явлении капиллярности, позволяет определить дифференциальные параметры поровой структуры отделочного материала (показателей среднего размера пор и однородности размеров пор).
Теоретическое обоснование режима воздействия ультразвукового поля по изменению энергетического состояния воды
Изобарической продвижение из какой-либо точки F, соответствующей жидкой фазе вглубь метастабильных и неустойчивых состояний (горизонталь /?г) соответствует обычному кипению, а понижение давления при T=const (по кривой FCA) соответствует статическому растяжению жидкости или кавитации. Однако в реальных условиях существует множество промежуточных случаев (различные кривые, исходящие из точки F).
Максимально возможное растяжение жидкости соответствует минимуму на изотерме Ван-дер-Ваальса [5] точка А и осуществимо лишь для особо приготовленных и очищенных образцов жидкости, в которых, помимо отсутствия зародышей, не содержится растворенных газов (этого состояния удается достичь при возникновении так называемой паровой кавитации). При наличии газа, растворенного в жидкости, минимумы изотермы Ван-дер-Ваальса достичь обычно не удается и разрыв жидкой фазы (кавитация) наступает много раньше достижения теоретического предела метастабильных состояний жидкости - спинодали КА. Образование новой фазы происходит при достижении кривой КА , расположенной левее спинодали; это приводит к возникновению так называемой газовой кавитации. В реальных условиях и паровая, и газовая кавитации являются лишь предельными случаями, так как обычно в кавитационном пузырьке существует смесь паров жидкости и растворенного газа переменного состава.
Явление кавитации в жидкости наблюдается при достижении порогового значения интенсивности ультразвуковых волн. На рис.3.7 представлен порог кавитации в воде в зависимости от частоты. Предельные кривые Эше [124] продолжены пунктирными линиями, соответствующими результатам измерений порога образования пузырьков при низких частотах (от 10 3 до 1 Гц [121]).
Пороговым давлением называется значение амплитуды акустического давления, вызывающего расширение зародыша до критического размера, после которого он начинает расти взрывообразно [105]. Чем ниже частота акустической волны, тем ниже пороговое давление. Например, для частоты 1 кГц пороговое давление не превышает 105 Па при нормальном статическом давлении и температуре (До» 0,1 МПа, Т« 20 С) [105, 91].
Порог кавитации в воде в зависимости от частоты (по экспериментальным данным различных ученых)
Даже при давлении, не намного превышающем порог кавитации, сразу появляется множество кавитационных пузырьков, занимающих определенную часть пространства, которую называют кавитационной областью [82].
Маргулисом и Гру нд ел ем [55] обнаружено свечение жидкости в ультразвуковом поле до момента возникновения кавитации. Показано, что при низких инфразвуковых и звуковых частотах 7-200 Гц осуществляются те же химические реакции, сонолюминеценция и физико-химические эффекты, что и в ультразвуковых полях.
На (рис.3.8.) представлены основные физико-химические процессы, происходящие при воздействии ультразвука низкой частоты (нч). Отмечено, что вблизи порога кавитации происходят практически те же химические реакции, что и при развитой кавитации. Таким образом, химическое действие ультразвуковой кавитации не является специфичным, хотя кинетические и энергетические характеристики могут иметь существенное различие.
Интенсификация многих технологических процессов в воде и водных растворах связана с явлением кавитации, которое происходит при достижении интенсивности УЗ волн порогового значения, потребляя огромное количество энергии. нч УЗ-воздействие на водную среду с растворенными веществами (РВ)
Основные физико-химические процессы, сопровождающие кавитацию, в акустическом поле, формируемом в водной среде с РВ "точечным" источником нч УЗ-воздействия (однополуволновым УЗХИ с 0ВЬ1Х = 2 мм; / = 22 кГц) на разных уровнях его энергетического насыщения Вблизи порога кавитации
Акустическое поле с одиночными кавитационным пузырьками (по) X УЗ-расщепление воды в одиночных кавитационных пузырьках (локальная электризация) Н20 — Н + ОН X Отщепление осколочных пузырьков X Ударная волна Вспышки" сонолюминес центного свечения (СЛ) Кумулятивные Слабый ШУМОВОЙ Фон Выход окислителей в водную среду с РВ (Н , ОН , Н2, Н202, ещ) X Звукохимические (ЗХ)-реакции окислителей с РВ X Слабое вторичное хемилюминесцентное (ХЛ) Сплошной фон вторичного ХЛ- свечения со "вспышками" СЛ- свечения Порог кавитации (доли секунды) X Лавинообразное увеличение концентрации кавитационных пузырьков (п0 —»Ко) X Скачкообразное УЗ-расщеплеиие увеличение СЛ- воды в свечения паро-газовой смеси внутри пузырьков (щ - К„) пузырьках і Лавинообразный Лавинообразное выход окислителей в нарастание водную среду с РВ кавитационного
Мощное суммарное СЛ- и вторичное ХЛ-свечения Низкочастотные системы хорошо зарекомендовали себя при использовании их там, где трудно избавиться от загрязнения, но полное удаление загрязнения не требуется. Например, удаление песка с алюминиевых отливок, которые выполнялись в песочных формах.
В промышленности используют ванны, где частота ультразвуковых колебаний 20...70 кГц. Это объясняется тем, что на этих частотах порог кавитации низкий и его легче достигнуть. В воде на частоте 20 кГц кавитация начинается при интенсивностях ультразвука всего 0,3 Вт/см .
Для жидких сред (в частности, для воды) в обычных безкавитационных условиях очень низкий коэффициент затухания [2] .По мере увеличения интенсивности УЗ колебаний происходит увеличение коэффициента поглощения за счет затрат энергии на УЗ колебания, образование и поддержание кавитации. Для развитой кавитационной области поглощение увеличивается настолько, что интенсивность УЗ колебаний уменьшается существенно на расстояниях, равных нескольким диаметрам излучающей поверхности.
В работе [108] были проведены эксперименты по растворению прессованных образцов (таблеток) фурацилина с помощью УЗ колебаний. Отмечается, что при увеличении акустической мощности, из-за роста электрических и механических потерь, снижается КПД аппарата в целом, что иллюстрируется зависимостью, представленной на рис.3.9. 1 0,95
Снижение жесткости воды и образование центров кристаллизации
Эффективность мер, направленных на оптимизацию технологии, определяется свойствами получаемых изделий. Перечень свойств, имеющих существенное значение для данного материала, зависит от условий работы. Несущая способность конструкции в первую очередь обусловлена её механической прочностью. Отсюда не случаен факт выбора механических характеристик в качестве оценочных критериев. Однако результаты механических испытаний позволяют лишь приближенно оценивать эксплуатационные свойства различных строительных материалов в условиях чередующихся смен замораживания - оттаивания, намокания - высушивания и т.д. Практика показала, что изделия различных заводов, характеризующиеся одной и той же маркой, в одинаковых сооружениях и в равных условиях эксплуатации обладают различной долговечностью. Более того, в ряде случаев, высокопрочные железобетонные изделия оказываются менее долговечными, чем низкомарочные. Основной причиной подобного несоответствия является характер возникновения и развития микротрещин, которые возникают при передаче на конструктивные элементы рабочих нагрузок. Постепенное увеличение их числа и линейных размеров вызывает снижение эксплуатационных характеристик, а в ряде случаев и разрушение материала конструкции. Локальные микроразрушения появляются уже при небольших нагрузках; в зоне рабочих нагрузок их количество может достигнуть больших значений [106,20,54].
Важнейшей задачей современного контроля производства и эксплуатации изделий является определение кинетики образования микротрещин и разработка таких составов, режимов производства и условий применения, при которых микротрещинообразование было бы минимальным.
Метод акустической эмиссии (АЭ) позволяет установить связь между интенсивностью деструктивных процессов и изменением динамических характеристик, происходящих в результате разрушения структуры. Эта зависимость положена в основу оценки эксплуатационной возможности строительных конструкций и изделий, которая в решающей степени определяется числом микротрещин, открывающихся в материале в зоне рабочих нагрузок уже в начальной стадии эксплуатации. Количество микротрещин зависит не только от марки изделия, но и от равнопрочности связей в нем. В высококачественных изделиях прочность отдельных связей максимальна, число дислокаций мало. Материал характеризуется повышенной сопротивляемостью внешним агрессивным воздействиям и долговечностью.
В материалах с неравнопрочными связями, согласно статистической теории прочности, уже при начальных нагрузках независимо от конечной прочности материалов открывается определенное, довольно значительное число микротрещин, происходит их объединение в более крупные микротрещины. Эксплуатационная стойкость таких конструкций невелика.
При исследовании свойств строительных материалов довольно часто возникает необходимость изучения состояния структуры на различных этапах ее формирования [114]. Такое изучение дает возможность делать выводы о свойствах получаемых изделий. Представляется возможность делать достоверный прогноз о будущем поведении материала в сооружениях и конструкциях в условиях различных внешних воздействий.
Для исследования кинетики разрушения при нагрузке были изготовлены образцы-кубы цементного камня размером 5x5x5 см. Для приготовления цементного теста нормальной густоты использовался Мордовский ПЦ400-Д20, в качестве воды затворения - вода водопроводная и вода, обработанная ультразвуковыми колебаниями в течение 3 часов при В/Ц=28,4%. Через 7 сут. нормального твердения образцы цементного камня доводились до разрушения. В процессе нагружения регистрировалась средняя энергия акустической эмиссии.
В зависимости от прочности и однородности материала наблюдается ряд подъемов и спадов (рис.5.10-5.11). Такая закономерность объясняется следующим образом. В цементном камне, как и в других хрупких материалах, имеется пористость, которая формирует объемное распределение дефектов. Приложенная извне нагрузка вызывает возникновение микротрещин, являющихся источниками акустических волн.
Как видно из рис.5.10-5.11 образцы цементного камня не одинаково ведут себя под нагрузкой. Разрушение образцов цементного камня на основе водопроводной воды начинается практически сразу после приложения внешней нагрузки. Нарастание сигналов акустической эмиссии (рис.5.10.) свидетельствует о более дефектной структуре цементного камня по сравнению со структурой цементного камня, приготовленного с использованием волы в МС (рис.5.П.). Из рис 5.11. видно, что у образцов цементного камня имеется определенный запас прочности. Наиболее интенсивные сигналы АЭ наблюдаются лишь при приложении нагрузки в 0,6 o7R, в отличие от образцов при использовании водопроводной воды, где разрушение начинается при 0,4 oVR. Образцы на основе воды в МС имеют более оптимальную структуру, что подтверждается пределом прочности при сжатии. Образцы цементного камня в возрасте 7 сут. на основе воды, обработанной ультразвуковыми колебаниями, имели Rc«= 74,7 МПа, а на основе водопроводной воды КсЖ= 54,8 МПа.
