В. А.ПОМАЗКИН, канд. физ.-мат. наук, А.А.МАКАЕВА, канд. техн. наук (Оренбургский государственный ун-т), Опыт использования электроактивированной воды для затворения бетонных смесей
Целесообразность использования активации воды затворения бетоных смесей сегодня уже не вызывает никакого сомнения. Активировать воду возможно с помощью физических, механических или химических методов. Наиболее экономически и экологически оправданными являются методы физической активации. Особую популярность среди них (особенно в Европе) получил метод магнитной активации воды (МАВ) [1]. Опыт применения МАВ, включая наш собственный [23], доказывает высокую эффективность этих методик. Особенно целесообразно использование в этих целях специально разработанного нами аппарата [4]. Все чаще МАВ внедряется в технологические процессы промышленных строительных предприятий, где приносит реальную пользу и экономию [5].
Существует опыт применения электроактивированной воды, полученной за счет разделения её в электролизерах с помощью полупроницаемых мембран на анолит и католит (“живую”-“мертвую" воду) [6]. Однако возможность промышленного использования этих методик вызывает большие сомнения из- за достаточно непрскхгой технологии получения используемого в технологических процессах католита, значительных энергетических, эксплуатационных и капитальных затрат, из-за необходимости утилизации более чем половины обрабатываемой воды и др. Поэтому нами разработан способ электроактивации [7] и экспресс-анализ эффективности электроактивации (ЭЭА) воды [8], которые позволяют просто и недорого готовить активированную воду для затворения бетонных смесей, получая при этом 100%-вос- производимые результаты электроактивирования. Приоритет электроактивации перед магнитной активацией следует признать ещё и потому, что механизм влияния электроактивации хотя бы на феноменологическом уровне поддается логической интерпретации. В данной работе мы пытаемся обобщить результаты использования электроактивированной по нашей методике [78] воды затворения бетонов, проведенные сотрудниками кафедр физики и ТеСМИ Оренбургского госуни- верситета в течение более чем двух лет.
В настоящее время нет общепринятой научной теории, исчерпывающе раскрывающей механизм образования и твердения вяжущих при их взаимодействии с водой. Разработанные теории Л еШателье (1887г.) и коллоидная теория твердения В.Михаэлиса (1893г.) хотя и не утратили до сих пор своей актуальности, все же , даже несмотря на блестящее обобщение этих теорий А.А.Байковым (1923г.), не позволяют выявить тонкие механизмы образования цементного камня. Сегодня нет полной ясности в вопросе о том, как физико-химические свойства самой воды затворения (вязкость, поверхностное натяжение, смачивающая и диссоциирующие способности, коагуляционные свойства и др.) влияют на процессы твердения и созревания клинкерных минералов.
По утверждению А.А.Байкова [9], процессы твердения минеральных вяжущих веществ, образующих гидратные соединения, можно разделить на три этапа.Пер- вый этап (начинающийся с момента смешивания связующего с водой) - вяжущее растворяется в воде и образуется его насыщенный раствор. Второй этап - идет присоединение воды к твердой фазе вяжущего. В результате возникают гидратные соединения высокой коллоидной дисперсности, происходит "схватывание" массы. Третий этап- коллоидные частицы новообразований перекристаллизовываются с образованием более крупных кристаллов, что сопровождается твердением системы и ростом её прочности.
Следует отметить, что, как правило, все три этапа накладываются друг на друга, т.е. практически идут одновременно. Механизм образования гидратных соединений зависит от свойств исходных материалов и условий, при которых идет реакция между ними и водой [10].
Нами разработана методика обработки воды электрическим полем, которую можно использовать для затворения бетонных смесей, позволяющая в широких пределах изменять её физико-химические свойства, насыщая её до нужной концентрации электрическим зарядом [7]. Разработан и запатентован способ контроля степени её электроактивации [8]. Это открывает для нас возможность, используя чисто КТД- подход [11], активно вмешиваться в процесс на любом из этапов формирования цементного камня.
Так, увеличение смачивающей способности, диссоциирующих свойств воды и поверхностного натяжения безусловно облегчат образование насыщенного раствора на первом этапе. Обнаруженное нами уменьшение вязкости и поверхностного натяжения облегчают силам Ван-дер-Ваальса работу по образованию геля и “схватыванию массы”, а насыщение воды затворения дополнительными центрами кристаллизации стимулируют процесс кристаллообразования в перенасыщенном растворе. Активизация после электрообработки процессов коагуляции способствует более интенсивному укрупнению кристаллов и т.д.
Водопотребность портландцементов обычно 24-28% [10]. Практически же в нащем случае для получения теста нормальной густоты водоцементное отношение составляет 0,39-0,56. С увеличением количества воды затворения пористость изделий, естественно, возрастает, а прочность уменьшается. Приобретение после обработки воды, по Помазкину, пластифицирующих свойств [2] позволяет значительно уменьшить расход воды, необходимый для обеспечения нужной при производстве изделий консистенции и удобоукладываемости без применения для этих целей дорогостоящих и ядовитых суперпластификаторов.
Чтобы экспериментально оценить эффективность электрообработки воы затворения по разработанной нами технологии, в лабораториях ТеСМИ Оренбургского госуниверситета были проведены исследования бетонных стандартных кубов. Более чем на 400 образцах были исследованы подвижность бетонных смесей, затворенных необработанной и электроактивированной (ЭА) водой, и прочностные характеристики бетона. Подвижность бетонной смеси измеряли по осадке конуса Абрамса, жесткость - в соответствии с ГОСТ 10181.1-81 (Смеси бетонные. Методы определения удобоукладываемости). Прочность определяли на образцах-кубах с ребром 0,1 м по величине разрушающего усилия на гидравлическом прессе П-125. Плотность насыщения воды электрическим зарядом (заряд единицы массы) Q вычисляли по формуле [7]
Эффективность электроактивации (ЭЭА) воды определяли по оригинальной методике [8] с помощью прибора ТЛФП-579/67М. Рабочий состав бетонной смеси (кг/м3): цемент (М400) - 312,3; щебень - 1211,8; песок - 772,6. Количество воды варьировали таким образом, чтобы получить примерно одинаковую удобоукладываемость бетонных смесей на обычной и ЭА воде. Испытания проводили на трех режимах жесткости, при этом в зависимости от плотности электроактивации воды водоцементное отношение приходилось варьировать от 0,39 до 0,56.
Исследовано 5 режимов электроактивации. Чётко прослеживается приобретение водой пластифицирующих свойств. Для того, чтобы получать смеси примерно одинаковой жесткости при их затворении простой и ЭА водой, как правило, приходилось брать Э А воды на 12-20% меньше. При одинаковых объемах воды осадка конуса, затворенного ЭА водой, всегда была значительно больше.
Результаты исследования зависимости прочности от электроактивации воды и для разных значений её жесткости приведены на рисунке.
По вертикальной оси на рисунке отложен процент увеличения прочности куба по отношению к контрольному образцу той же жесткости, затворенному обычной водопроводной водой. По горизонтали - значение величины заряда единицы массы воды затворения, рассчитанная по вышеприведенной формуле. Видно, что прочность образцов, затворенных ЭА водой, по сравнению с контрольными образцами, выше. Характер зависимости изменения упрочняющего эффекта от насыщения воды затворения электрическим зарядом в значительной степени определяется жесткостью бетонной смеси. Так, у кривых для жесткости 5с и 7с с увеличением насыщенности электрическим зарядом (НЭЗ) воды наблюдается явное уменьшение эффекта. В диапазоне НЭЗ 84112 Ккл/м3 этот спад происходит практически по линейному закону (жесткость 5с - DR/R = 0.43; жесткость 7с - DR/R = 0.34). Образцы с жесткостью 4с ведут себя иначе. Сначала прочность в зависимости от НЭЗ растет (на 14%), а затем незначительно (на 8%) падает, причем, хотя это падение статистически достоверно, оно фактически находится в пределах погрешности используемых экспериментальных методик. Оптимальной НЭЗ для образцов с жесткостью 5с и 7с следует считать 64-84 Ккл/ м3, а для жесткости 4с - 84-112 Ккл/ м3 . При этом среднее значение упрочняющего эффекта для оптимального значения НЭЗ у образцов с жесткостью 7с равно 31 %, с жесткостью 5с - 27%, с жесткостью 4с - 23%.
Таким образом, видно, что электроактивация воды затворения по нашему способу улучшает характеристики бетонных изделий, в частности их прочность. Следовательно, соответственно скорректировав заводские нормы, можно выйти на солидную экономию вяжущего.
Выводы
1. Электроактивация воды затворения по нашему способу существено улучшает характеристики бетонных изделий.
2. Эффективность упрочнения изделий в значительной степени зависит от жесткости бетонной смеси.
3. Поскольку ЭАВ обладает пластифицирующим эффектом, её применение в производстве бетонных и железобетонных конструкций может способствовать снижению использования пластификаторов, а зачастую позволит вообще отказаться от их применения.
4. Корректировка заводских норм расхода исходных компонентов бетонной смеси позволит экономить цемент и воду, уменьшить продолжительность тепловой обработки изделий.
Бетон и железобетон, 2002 №2