Ю. М. СТРАХОВ, Т. И. МАЙБОРОДА, Б. Г. РЯСНЫЙ, инженеры (ВНИИОМШС), Использование искровых разрядов для активации растворных и бетонных смесей
Для улучшения свойств цементных, цементно-песчаных растворов и бетонов разработаны такие технологические приемы, как сухой и мокрый домол цемента, виброактивация, комбинированное механическое и химическое воздействие на вяжущее и т. д.
Исследования [1...4] показали, что наибольшее повышение прочности можно получить при иготов- лении образцов из активированного цементного теста искровыми разрядами. По результатам лабораторных исследований [1] по активации цементного теста искровыми разрядами увеличение прочности на сжатие образцов, изготовленных из активированного цементного теста, составило 87, 85 и 75 % в возрасте соответственно 1,7 и 28 сут.
Лабораторные исследования, проведенные в бывш. ФРГ [3], подтвердили данные предыдущих авторов.
Поисковые работы, проведенные во ВНИИОМШСе [4], показали возможность активации растворных смесей новым способом. Механизм активации растворных и бетонных смесей можно выявить из рассмотрения физических процессов, возникающих при искровых разрядах в жидкости.
Искровой разряд в жидкой обрабатываемой среде характеризуется быстрым переходом энергии, запасенной в конденсаторе-накопителе, в энергию ударных волн, энергию перемещения масс обрабатываемой среды, а также тепловую и световую. Плотность тока в основной стадии разряда может достигать 106 А/см2, при этом образуются электромагнитные поля в широком диапазоне частот.
Плотность энергии, выделяющейся в канале разряда, сравнима с плотностью лучших взрывчатых веществ и составляет более 5Х X Ю3 Дж/см3, при этом не выделяются никакие газы. Температура плазмы канала разряда может достигать нескольких тысяч градусов. Благодаря малой сжимаемости жидкости и ее инерции при большой скорости расширения канала разряда возникает ударная волна, амплитуда давления которой может достигать нескольких тысяч МПа, распространяющаяся в обрабатываемой среде в виде волны сжатия с крутым передним фронтом. Ударные полны с определенной частотой следования можно рассматривать как спектр гармонических колебаний звуковых и ультразвуковых частот. Распространяясь во все стороны канала разряда, они воздействуют на жидкость и расположенные в ней твердые частины.
Закономерности, полученные при изучении процессов, происходящих при искровых разрядах, протекающих в однородных жидкостях (вода, электролиты), можно использовать только для качественной оценки явлений, происходящих при обработке цементных, цементно-песчаных и бетонных смесей, так как оии представляют собой неоднородную вязкую среду. Степень затухания ударной волны с увеличением расстояния будет возрастать при повышении вязкости и неоднородности среды. Ударные волны в этом случае будут испытывать отражения и преломления на границе раздела двух сред: цементное тесто - мелкий заполнитель и цементно-песчаный раствор — крупный заполнитель. В результате энергия волн распределится на разрушение частиц, увеличение их кинетической энергии и обработку заполнителя. Это позволит интенсифицировать процессы гидратации цементных частиц, а также взаимодействия между ними и поверхностью заполнителя.
Можно предположить, что при обработке растворных и бетонных смесей искровыми высоковольтными разрядами должно происходить разрушение рыхлых коагуляционных структур и диспергирование цементных частиц.
Во ВНИИОМШСе изучали влияние искровых разрядов на свойства образцов из цементного камня, цементно-песчаных растворов и бетонов. В исследованиях использовали портландцемент марки 400 Амвросиевского и Балаклеевского цементных заводов, шлакопортланднемент марки 300 Харьковского завода, песок Основянского карьера с Д4к=1,08 и гранитный щебень Кременчугского карьера.
Для проведения исследований разработаны и изготовлены стенд, генератор импульсов и необходимые измерительные приборы. 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 закрепляли внутри бака напротив положительного. Расстояние между электродами устанавливали таким, чтобы амплитуда превышение прочности раствора состава 1:1 (в весовых частях) в возрасте 1, 7, 28 сут над эталоном после обработки смеси при п= = 180 (состав 11) составило 181, 107, 52 %, а цементно-песчаного раствора состава 1:2 значительно меньше — 38, 29 и 37 %.
Обработка искровыми разрядами наиболее эффективна для малоподвижных цементно-песчаных смесей (табл. 2). Для приготовления цементно-песчаных растворов в данном случае применяли цемент марки 300. С увеличением энергии единичного разряда до 4000 Дж прочностные показатели растворов увеличиваются.
Бетонные смеси обрабатывали на стенде, описанном ранее. Как видно из табл. 3, подвижность смесей с увеличением числа разрядов давления ударной волны была максимальной (затухание тока в разрядном контуре должно быть близким к единице). Режим работы установки контролировали осциллографом типа ОК-17М, регистрирующим ток в разрядном контуре с помощью безындукционного шунта. Генератор импульсных токов состоял из выпрямителя мощностью 4,5 кВа, 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. Твердение образцов производили в естественно-влажностных условиях. Обработку смесей искровыми разрядами осуществляли при энергии единичного разряда 2000 Дж.
Как видно из табл. 1, с увеличением количества разрядов уменьшается подвижность смесей, а также удельное электрическое сопротивление цементного и цементно-песчаного растворов, что свидетельствует об увеличении в системе концентрации электролитов благодаря ускоренной гидратации трехкальциевого силиката. Удельная поверхность цемента до обработки составила 2975, после — 3650 см2/г, максимальное повышение прочности цементного камня из обработанных смесей при числе разрядов п=120 (состав 6) по сравнению с эталоном в возрасте 1, 7 и 28 сут составило соответственно 56, 20 и 15 %.
Петрографические исследования подтвердили полученные результаты и показали, что обработка цементного теста искровыми разрядами способствует диспергированию цементных частиц ускоренной гидратации клинкерных минералов и получению более плотной мелкокристаллической структуры цементного камня.
При изучении влияния искровых разрядов на свойства цементнопесчаных растворов наблюдались закономерности, характерные для цементного камня. Это объясняется тем, что установка для проведения экспериментов работала с частотой до 10 разрядов в 1 мин. При п=150 разрядов опыт продолжается 15 мин. Растворные и бетонные смеси, не обработанные искровыми разрядами в течение указанного времени, несколько снижают подвижность. Возможны и другие причины снижения подвижности смесей в процессе их обработки, в частности, некоторые изменения гранулометрического состава крупного заполнителя. Максимальное превышение прочности бетонных образцов из обработанных смесей (п=240) над эталонами в возрасте 1,7 и 28 сут составляет соответственно 68, 65 и 18 % (состав 3).
При обработке искровыми разрядами растворные и бетонные смеси разогреваются, что создает благоприятные условия при проведении строительных работ в зимнее время.
В настоящее время исследования по активации растворных и бетонных смесей продолжаются на установке мощностью 35 кВа, которая позволяет работать с частотой 2 Гц и обрабатывать смеси в течение более короткого промежутка времени. Это позволит повысить подвижность смеси и улучшить качество растворов и бетонов.
Выводы
Обработка растворных и бетонных смесей искровыми разрядами в среде смеси способствует ускоренному процессу их схватывания и твердения, особенно в начальные сроки, что позволяет считать активированные смеси быстротвердеющими.
Среднее приращение прочности на сжатие цементно-песчаных смесей состава 1:1 с разными В/Ц, обработанных различным количеством разрядов, составляет в возрасте 1,7 и 28 сут соответственно 133, 54 и 45 %. При обработке цементно-песчаных смесей состава 1 -.2 получены аналогичные результаты, но с некоторым уменьшением прочности при сжатии. Наилучшие результаты получены при активации новым способом растворных и бетонных смесей с использованием портландцементов.
Петрографические исследования показали, что образцы активированного цементного камня имеют повышенное количество новообразований по сравнению с эталоном. Новообразования распределены равномерно. В активированных образцах в отличие от эталонных полностью отсутствуют поры.
Среднее приращение прочности на сжатие бетонных образцов, изготовленных из активированных новым способом образцов (состав 1:2,86:4,86), составляют 67, 65 и 20 % соответственно в возрасте 1, 7 и 28 сут.
Новый способ активации растворных и бетонных смесей показал, что подвижность обработанных смесей несколько снижается. Особенно это сказывается при активации бетонных смесей. Происходящий при этом разогрев создает благоприятные условия работ в зимнее время.
Бетон и железобетон, 1993