Известно, что удобоукладываемость бетонной смеси в общем случае определяется количеством воды затворения, увеличение расхода которой сверх оптимального в значительной степени ухудшает прочностные свой. Физическая активация воды затворения бетонных смесей

В современных условиях бетон и железобетон занимают передовые позиции в общей мировой структуре производства строительных материалов и конструкций. Любая технология, позволяющая экономить компоненты бетонных смесей, исключающая или упрощающая какие-либо технологические операции при его производстве, позволяет сохранить народному хозяйству денежные средства или при тех же затратах ресурсов увеличить объем строительства. Известно, что удобоукладываемость бетонной смеси в общем случае определяется количеством воды затворения, увеличение расхода которой сверх оптимального в значительной степени ухудшает прочностные свойства готовых изделий и ряд других характеристик конструкций из бетона и железобетона. Для получения необходимой удобоукладываемости бетонной смеси в промышленных производствах используют химические добавки — пластификаторы (суперпластификаторы). В настоящее время в промышленно развитых странах доля бетона, укладываемого с применением химических добавок, составляет 90—100%. Заметно изменить подвижность, а следовательно и удобоукладываемость бетонной смеси, возможно применением активированной воды затворения.

Магнитоактивированную воду в технологиях, связанных со строительством и строительными материалами, используют достаточно давно [1]. Однако несмотря на перспективность ее использования, широкого применения в строительных технологиях она до настоящего времени не находит. Это объясняется плохой воспроизводимостью результатов, получаемых с помощью применяемых для омагничивания воды стандартных аппаратов не всегда обеспечивающих необходимую степень магнитной активации воды. Физическая природа происходящих в воде физико-химических изменений при воздействии на нее магнитного поля (МП) до настоящего времени не совсем ясна, хотя сам феномен давно известен и используется в технике с 1947 г. Процесс твердения бетонной смеси, затворенной магнитоактивированной водой, к настоящему времени изучен достаточно хорошо. В этом направлении активно и плодотворно работал академик П.А. Ребиндер, однако единого мнения о механизме влияния МП на этот процесс не существует. Во время твердения вяжущих происходит целый ряд физико-химических процессов растворения и гидратации с образованием перенасыщенного раствора цементных минералов, начальный каркас которых со временем упрочняется и набирает основную прочность в течение 28 сут. Поскольку в процессе твердения цемента определяющими физико-химическими процессами являются растворение и кристаллизация в водной среде, а именно эти процессы могут значительно интенсифицироваться электромагнитной обработкой, то естественно было с квазитермодинамических позиций [2] ожидать интенсификацию твердения и созревания бетонного камня.

Анализ работ, в которых исследовалась магнитная активация воды затворения бетонных смесей, позволяет заключить, что прочность изделий, выполненных с применением магнитоактивированной воды, статистически достоверно возрастает. Магнитная обработка воды затворения заметно влияет на характеристики процесса твердения: на скорость схватывания и пластическую прочность цементного теста; на уменьшение размеров цементных гранул; на активацию процесса гидратации и др. Можно считать установленным, что затворение бетонных смесей магнитоактивированной водой интенсифицирует процессы растворения и гидратации цемента в ранние сроки твердения и ускоряет выделение более мелких кристалликов, что, естественно, приводит к уменьшению пористости, а следовательно, повышает его плотность, морозостойкость и устойчивость к действию воды и разных химических реагентов. Известно и об опыте применения магнитной активации воды затворения бетона в производственных условиях. Включение в технологический процесс магнитной активации воды затворения на Ташкентском домостроительном комбинате № 1 позволило сократить нормы расхода цемента на 12—18%. После установки омагничивающих аппаратов на Пермском заводе ЖБИ № 1 расход цемента сократился на 10—15%. На протяжении последних лет на Ростокинском ЖБК ДСК-1 (Москва) успешно применяют для затворения бетонных смесей омагниченную воду, что позволяет гарантированно получать стабильную экономию цемента. Однако, несмотря на очевидные преимущества применения магнитоактивированной воды, только единичные предприятия используют ее в своих технологических процессах.

Одна из причин заключается в достаточно проблематичном стабильном получении необходимой степени активации воды. Выпускаемые нашей промышленностью в настоящее время аппараты для магнитной обработки воды требуют тонкой настройки магнитотропных параметров. Кроме того, до последнего времени не существовало экспрессного способа определения степени магнитной активации воды, что делало практически невозможным эффективную настройку промышленных аппаратов с целью получения воды затворения, активированной до необходимого уровня, да и значение необходимого уровня физической активации воды было не известно. Именно этими причинами можно объяснить столь многочисленные неудачи применения для активации воды затворения стандартных омагничивающих аппаратов.

С целью поиска оптимальных режимов электромагнитной активации воды затворения бетонных смесей, поиска и разработки технологий и аппаратуры, обеспечивающих нахождение этих режимов, в Оренбургском государственном университете на кафедрах физики и ТеСМИ на протяжении последних 10 лет проводятся исследования по влиянию физической активации воды затворения на основные характеристики бетонных смесей и на технологические параметры процесса изготовления изделий из них. Нами разработаны и апробированы способы увеличения подвижности бетонных смесей, позволяющие получать необходимую удобоукладываемость без применения каких-либо химических реагентов [2]. Были разработаны методики и аппаратура для активации воды затворения бетонных смесей электрическими и магнитными полями. Проведенные исследования обсуждены на международных и другого ранга конференциях, опубликованы в виде монографии, защищены патентами России, опубликованы в журналах. В данной работе мы сделали попытку резюмировать результаты наших исследований, дать рекомендации по применению физической активации воды затворения и указать оптимальные режимы необходимой и достаточной степени активации.

Прочностные характеристики бетонных образцов, затворенных магнито- и электроактивированной водой, определяли на образцах-кубах с ребром 0,1 м по величине разрушающего усилия на гидравлическом прессе П-125, после 7 и 28 сут хранения в нормальных условиях. Эффективность магнитной обработки контролировалась прибором ТЛФП-576/67 М с помощью разработанной нами оригинальной методики. Подвижность и жесткость бетонной смеси определяли в соответствии с ГОСТ 10181.1-81 «Смеси бетонные. Методы определения удобоукладываемости». В результате проведенных экспериментов установлено, что зависимость прочностных характеристик образцов от эффективности электромагнитной активации воды затворения прямая, но не линейная [3].

Чтобы выяснить, как влияет физическая активация воды затворения на подвижность бетонной смеси, на базе заводской лаборатории КПД ОНГС была проведена серия специальных экспериментов. Для затворения бетонной смеси использовали воду необработанную (водопроводную) и активированную. На неактивированной воде осадка конуса составляла 0,7 см, у бетонной смеси на активированной воде - 1,3 см. В следующих сериях экспериментов количество активированной воды выбирали, исходя из принципа достижения одинаковой подвижности с бетонной смесью, затворенной водопроводной водой.

Обычно количество активированной воды приходилось брать на 10—15% меньше. Для затворения смесей использовали три режима: неактивированную воду; воду, активированную до эффективности 13% и до 22,3% , то есть до того уровня, который могут обеспечить стандартные аппараты типа АМО. Термическую обработку всех образцов одновременно проводили в течение 1 сут в пропарочной камере. Результаты прочностных характеристик испытанных кубов приведены в табл. 1. Видно, что активация воды менее чем на 20% заметным возрастанием прочности не сопровождается, хотя осадка конуса даже в этом случае была больше. Активация воды до 22% тоже не приводит к получению стабильных результатов. Хотя в среднем прочность возрастала на 18%, коэффициент вариации от образца к образцу достигал значения более чем 0,22.

Очевидно для получения стабильных результатов необходима степень магнитной активации воды (МАВ) не менее 30%, что, учитывая полиэкстремальный характер зависимости эффективности МАВ от магнитотропных параметров, трудно достижимо с помощью обычных промышленных аппаратов при отсутствии эффективного контроля степени МАВ. Отсюда становится понятным достаточно большой процент неудачного применения магнитной активации воды для затворения бетонных смесей. Таблица 1 Эффективность магнитной обработки, % Бетон М 150 Бетон М 200 Предел прочности при cжатии, кг/см2 Увеличение прочности, % Предел прочности при сжатии, кг/см2 Увеличение прочности, % 0 160 - 191,25 - 13 162,72 1.7 198,14 3,6 22,3 174,17 8.9 225,5 17,9 Целесообразность использования электроактивации воды затворения бетонов сегодня уже не вызывает никакого сомнения. Следует признать приоритет электроактивации перед магнитной активацией, так как механизм влияния электроактивации хотя бы на феноменологическом уровне поддается логической интерпретации. Разработанная методика обработки воды электрическим полем позволяет в широких пределах изменять ее физико-химические свойства, насыщая ее до нужной концентрации электрическим зарядом. Разработан и запатентован способ контроля степени ее электроактивации [2]. Это открывает возможность, используя чисто КТД-подход, активно вмешиваться в процесс на любом из этапов формирования цементного камня. Из общефизических представлений следует, что насыщение воды ионами металлов электродов будет пропорционально перенесенному заряду. Данные табл.

2 наглядно подтверждают это. Видно, что концентрация ионов зависит от полярности электродов и от плотности насыщения воды зарядом. Таблица 2 Режим обработки Эффективность активации, % Плотность насыщения зарядом, Кл/л Содержание ионов, мг/л Материал и полярность Ток, А AI Си Необработанная вода 0 0 0 0,04 0,18 AI- Сu+ 0,625 81 50 1,86 1,46 Аl+Сu- 0,4 71 32 1,21 0,25 В табл. 3 приведены значения параметров электрообработки воды для различных пар электродов при разной полярности, обеспечивающей пороговое значение активации воды, являющееся необходимым и достаточным критерием получения требуемого уровня электроактивации воды.

Видно, что наиболее перспективной парой электродов являются алюминиевый анод и медный катод. Использование IV и V пар возможно, но экономически не оправдано. Активированная данным способом вода достаточно долго сохраняет вновь приобретенные свойства. Таблица 3 № п/п Электроды и их полярность Ток, А Плотность насыщения зарядом, Ккл/м3 Эффективность активации, % I АІ+ Cu- Al- Cu+ Al= Cu= 0,1 0,175 0,125 7,6 14,2 9,6 40 II Al+ Al- Al= Al= 0,15 0,165 12,4 13,2 32 32 III Аl+ Fe- AI- Fe+ Al= Fe= 0,2 0,36 0,275 16 29,15 23,47 32 34 35 IV Сu+ Fe- Cu- Fe+ Си= Fe= 0,45 0,58 0,51 35,75 46,13 41,12 31 33 32 V Fe+ Fe-* Fe- Fe+* Fe= Fe=* 0,95 1,12 0,98 76,12 80,35 78,2 20 22 19 Примечание. Символом Fe в таблице обозначен электрод, изготовленный из материала Сталь-3, символом Fe* - из стали марки Х18Н10Т В табл. 4 представлена динамика изменения эффективности активации воды с течением времени.

Представлены три режима активации. Видно, что даже через 10 сут после обработки данным способом, вода способна обеспечить режим безнакипной работы. Напомним, что вода, активированная магнитным полем, полностью теряет свои вновь приобретенные свойства через 15-20 ч. Таблица 4 Режим Начальное значение эффективности, % Изменение эффективности электроактивации, %, через сут 13710 30Кл/л 58 53424028 40Кл/л 69 60444131 110Кл/л 74 71686866 В процессе обогащения обрабатываемой воды ионами металла электродов последние расходуются. Элементарный расчет показывает, что для активирования 1 л воды придется израсходовать от 3,5 до 4 мг алюминия (в случае использования алюминиевых электродов). Чтобы экспериментально оценить эффективность электрообработки воды затворения по разработанной технологии, в лабораториях ТеСМИ Оренбургского госуниверситета были проведены исследования бетонных стандартных кубов. Более чем на 400 образцах были измерены их прочностные характеристики и подвижность бетонных смесей, затворенных необработанной и электроактивированной (ЭА) водой. Характер зависимости изменения упрочняющего эффекта (AR/R) от насыщения воды затворения электрическим зарядом в значительной степени определяется жесткостью бетонной смеси. Чем выше жесткость, тем значительнее уменьшение этого эффекта (жесткость 7с — AR/R = 0,43; жесткость 4 с — AR/R = 0,34).

Образцы с жесткостью 5 с ведут себя иначе. Сначала прочность в зависимости от насыщенности электрическим зарядом (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 4 с и 7 с следует считать 64—84 Ккл/м3, а для жесткости 5 с - 84—112 Ккл/м3. При этом среднее значение упрочняющего эффекта для оптимального значения НЭЗ у образцов с жесткостью 4 с равно 31%, с жесткостью 7 с — 27%, с жесткостью 5 с - 23%.

Соответственно скорректировав заводские нормы, можно выйти на существенную экономию вяжущих. Были приготовлены две смеси, в одной из которых цемента было взято на 12% меньше. В табл. 5 представлен результат статистической обработки 10 образцов.

Результаты проведенных исследований позволяют сделать следующие выводы. Таблица 5 Вид активации кл/л В/Ц Вода, мл Прочность, МПа Плотность, кг/м3 Экономия цемента, % Необработанная 0,42 418 31 2400 - ЭЭА 84 0,42 386 32,5 2430 12 Применение электрической и магнитной активированной воды затворения позволяет получать изделия, прочность которых возрастает по сравнению с изделиями, затворенными на обычной водопроводной воде. Достаточно большой процент неудачного применения омагниченной воды при производстве железобетонных изделий можно объяснить тем, что с помощью обычных, выпускаемых промышленностью аппаратов, при отсутствии надлежащего контроля степени магнитной активации воды не всегда удавалось достигать необходимого уровня эффективности магнитной активации. Для стабильного получения положительного результата необходимо активировать воду до эффективности не менее 30-35%.

Подвижность бетонных смесей, затворенных омагниченной водой, значительно возрастает по сравнению с бетонными смесями, затворенными обычной водой. Для затворения смесей необходимо брать активированной воды на 15-25% меньше, чем обычной. Корректировка заводских норм расхода исходных компонентов бетонной смеси позволит экономить количество цемента и воды, и сократить время тепловой обработки изделий на 20—30 %. Использование активированной воды позволяет отказаться от достаточно дорогих и экологически небезопасных пластификаторов. Эффект упрочения изделий, бетонная смесь для которых готовилась на активированной воде, возникает лишь тогда, когда для получения необходимой подвижности бетонной массы берут строго оптимальное количество активированной воды, то есть ее количество должно быть меньше, чем необходимо обычной воды для достижения такой же степени удобоукладываемости.