автореферат диссертации по строительству, 05.23.05, диссертация на тему:Электрическая активация в технологии бетона и изделий

ргд ли ХАРЬКОВСКИЙ ИНЖЕНЕРНО-СТРОИТЕЛЬНЫЙ ИНСТИТУТ

« л п <

На правах рукописи

МАТВИЕНКО Василий Андреевич

ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ АКТИВАЦИЯ В ТЕХНОЛОГИИ БЕТОНА И ИЗДЕЛИЙ

05.23.05. — «Строительные материалы и изделия»

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

ХАРЬКОВ — 1993

Диссертацией является рукопись

Работа, выполнена в Донбасском инженерно-строительном институте

Научный консультант: заслуженный деятель науки и техники Украины, академик ИА Украины, доктор технических наук, профессор . В.И.Вабушиин'

Официальные оппоненты:

Доктор химических.наук, профессор А.Н.Плугин

Доктор технических наук, профессор Р.Ф.Рунова

Доктор технических наук, профессор Н.А.Сторожук

Ведуцая организации- Донецкий ПромстройНИИпроект

Нинстройархитектуры Украины, г.Донецк

Защита состоится ••28"Зека5рЯ }ддз г. в 00 час на заседании специализированного совета Д.068,33,01 по присуждении ученой степени доктора технических наук при Харьковском инженерно-строительном институте (310002, г.Харьков, 2, ул.Сумская, 40)

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Харьковского инженерно-строительного института (310002, г.Харьков, 2, ул. Сумская, 40)

Автореферат разослан " " 1993г.

Ученый секретарь специализированного/ ( ' 1

совета, д.т.н..профессор 1 L /' А.В.Ушеров-Мариа!

ООЦАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. К первостепенными задачам в области про-шодства изделий из бетона относятся снимение трудоёмкости и ин-шсификация технологических процессов, рациональное использование [ръевых материалов, экономия энергетических ресурсов, вовлечение в )еру производства отходов промышленности, оптимизация состава, •руктуры и свойств, бетонов. Одним из направлений в их решении яв-штся управление процессами формирования структуры цементного кам-I и зоны контакта матрица с заполнителем. В этой связи развиваются ¡рмйческие, механические, химические й электрофизические способы 1здейсТвия на бетонные смёси или их отдельные компоненты, позволите получать изделия с заданными свойствами при экономии матерй-1ьных и энергетических ресурсов.

Низкая конкурентоспособность многих известных электрофизиче-¡их способов (магнитных, электромагнитных, электрических) обусловив высоким расходом энергии, идущей на нагрев материала й на про-(кание электродных прйцессов. В этой' связи перспективными являются 1Лоэнергоемкие способы воздействия, к которым относится активаци-тая обработка бетонных смесей и их компонентов в электрическом )ле, исключающая эти явления. Она позволяет решать актуальную за-1чу повышения эффективности бетонных и яелезобетонных изделий при 1зкйх Затратах электроэнергии.

Разработка данного способа активации требует обобщения зависи-1сти электрохимических и поляризационных процессов в дисперсных )стемах от параметров электрообработки и установления их роли в )рмировании структуры бетона.

Целью .работа является теоретическое обоснование и разработка 1ЛОэнергоемкой технологии электрической активаций бетонных смесей-их компонентов. •

На защиту выносятся: -

- теоретические представления о механизме электростатической ¡тивации бетонной смеси, обеспечивающей повышение прочности бвто-

, . -установленные закономерности "изменения кислотно-основных юйств поверхности дисперсных материалов в зависимости от их сос-|ва, полярности, и напряженности электричг,:кого поля; -

- результаты-экспериментальных исследований процессов тверде-1Я и свойств цементного камне й бетоног.на основе активированных 1Мпоненто'в, или цемёнтно-водных систем;

- параметры электрообработкй бетонных смесей илх компонентов

• 2 на различных переделах технологического процесса производства изде лий из них;

- новые технические ререция и рациональные области применение электроактивации в технологии изделий из бетон?.

Научная новизна работы заключается в следавцех:

- осуществлено новое научно обоснованное техническое решение проблемы повышения эффективности технологии бетонных и железобетон иык изделий, заклвчзмееся в создании способа электрической актива ции бетонных смесей или их компонентов для повышение прочности бетона; . . • -

- развиты теоретические представления о взаимодействии внешне го электрического поля с дисперсными системами "диэлектрик в растворе электролита", учитывающие активации твердофазных компонентов бетона за счет явлений поляризации и электризации;

- установлена закономерность изменения злектроповерхностных свойств мелкого заполнителя бетонов t?T параметров алектрообработки (поларности и напр^енности поля, длительности воздействия! и знак интегрального заряда поверхности частиц;

- выделены особенности процессов твердения» состава новообразований, поркой структуры, и свойств цементного камня, а танке бетона, подвергнутых электрической активации;

- установлено, "что аффекадность электроактивации беконных смесей на■различных переделах технологического процесса.производст ва_изделий определяете? параметрами алектрообработки, составом мид костХэ^твор^ния 1 наличие добавок ПАВ. и •электролитов), суммарным поверхностным зарядом твердой фазы ...стадией процессе структурообра зования в кгомент воздействия согласно принципу "соответствия".

Обоснованность и дортрверность научных положений и выводов по-дтвермдается согласованностью экспериментальных данных, полученных на основе современных физико-химических методов исследования, статистическим анализом полученных зависимостей с доверительно^ веро-ятностьв 0.95, соответствием результатов лабораторных и проявленных испытаний теоретическим предпосылкам.

Практическое значение работы составляют; . - разработаны новые малоэнергоемкие технологические решения электроактивации заполнителей бетона СА.с. N"N"1351904, 1740355), бетонной смеси'(й.с.Н"1668345), Свемеотформованных изделий (I).с. N"N"113573?, 1143795, 1491861, положительные ревения по заявкам H"N 4943240/31 и .4943741/33), позволявцие расширить сырьевую базу заполнителей, в т.ч. из отходов Промышленности, снизить ^расход це-

нта, сократить длительность тепловой обработки изделий;

- установленные закономерности и разработанные технически" рения электроактивации могут быть использованы в технологиях разли-ых материалов из диэлектрических веществ (керамика, стекло, полиры и др.).

Реализация результатов исследований проводилась путем выпуска ытно-промышленных партий изделий из тяиелого бетона (!БИ N"14 Благовещенск, Производство N"1 Донецкого ЗСК). На 1 и 2 Производ-вах Донецкого ЗСК внедрены в производство бетонных смесей более тыс.мЗ некондиционных заполнителей (золошлаковые смеси, грарот-в), активированных комплексным способом (химические добавки в со-тании с электрообработкой). Технология электроактивации заполни-л.ей, цемента и бетонных смесей внедрена в проект строительства ха ЯБИ мощностью 20 тыс.мЗ в Управлении вспомогательных работ ПО огалымнефтегаз". Промышленные испытания согласуются с результата-лабораторннх исследований: за счет злектроактйзацйи достигается вншение прочности бетона на 20-50Х, что позволяет снизить расход мента на 14-162, сократить длительность изотермического прогрева и ТВО на 1-5 часа. Реальный расход электроэнергии на злектроакти-цив составляет 200-300 Бт/мЗ бетона.

Апробация работы. Результаты исследований представлены в виде кладов и сообщений на международных (г. Днепропетровск, 1992, 93г.г.; г. Санкт-Петербург, 1992 г,; г. Донецк, 1993 г.), всесо-кых (г, Чимкент, 1986 г,; г. Донецк, 1986, 1991 г.г.; г. Москва, 87, 1991 г.г.; г. Киев, 1989 г,; г, Челябийск, 1990 г.) и респуб-канских (г. Харьков, 1989 г.; г.. Одесса, 1992 г.) конференциях.

Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано статьи и тезисов докладов, получено 6 авторских свидетельств и 2 яожительных решения по заявкам на изобретения.

Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 7 ав, обчих выводов, списка литературы из 341 наименования. Содер-г 242 страницы манинописного текста, вклвчаёт 84 рисунков и 51 5лицу.

С0ДЕРШИЕ РАБОТЫ

1. Состояние вопроса

•Формирование и развитие структуры цементного камня и бетона зисходят в результате комплекса физико-химических процессов, продавших преяде всего на границе раздела фаз. Анализ современных

представлений о поверхностных явлениях в дисперсных системах показал, что они определяются составом и свойствами дисперсионной среды, а также концентрацией и полярностью активных центров на поверх ности твердой фазы,

Основными актами при твердении являются: адсорбция воды на ак тивных центрах поверхности цемента, ориентация и диссоциация ее но лекул; реакции на границе раздела фаз; образование гидратных плено на поверхности с частичным растворением; кристаллизация продуктов гидратации при достижении пересыщения в «идкой фазе. Формирование структуры твердения происходит в результате межчастичных взаимодей ствий, при которых особая роль принадлежит электроповерхностным не равновесным силам, водородной связи, поляризации манжетных слоев ■идкой фазы.

Гидравлическая активность минералов клинкера портландцемента зависит от дефектности их структуры (В.В.Тимашев, М.Н.Сычев, В.И. Корнеев, Й.И.Байкова). Взаимодействие цемента по месту активных це нтров с жидкость!) затворения сопровождается самопроизвольной поляризацией - разделением зарядов (В.И.Бабушкин, Й.С.Кошмай, О.П.Ычед лов-Петросян), в результате чего цежду твердой и жидкой фазами возникает разность'потенциалов, во много раз превышающая величину дзета-потенциала. .Образующийся двойной электрический слой СДЗС) вркру! дисперсных частиц определяет реологические свойства цементных паст и формирование структуры камня вяжущего.

Интенсифицировать твердение можно воздействием на активные центры и изменением концентрации свободных носителей в. приповерхностной зоне. Решение этой задачи возможно двумя путями: созданием биографических "состояний в структуре клинкера или с помощью внешних воздействий на твердеющую систему - введением химических добавок, внешними силовыми полями электромагнитной природы (И.М.Сычев) Согласно представлениям И.Ф.Ефремова и Д.И.Щтакельберга электрическое поле изменяет энергетическое состояние дисперсных систем, условия межфазных и межчастичных взаимодействий. Кроме того, при подаче на дисперсную систему вцсоковольгного электрического потенциала, особенно в момент его включения, возможно возникновение нормального к заряженной поверхности электрического поля, вызывающего упругую деформацию ДЗС с большим периодом последействия - рекомбинации. В электрическом поле проирходят изменения величины адсорбцш (ф.Ф.Волькенжтейн), кинетики растворения (В.В.Громов), скорости зарождения центров.кристаллизации (М.И.Козловский), энергии взаимодействия дисперсных частиц СО.И.Меркушев), которые в конечном счет!

феделяют условия формирования структуры твердения.

Электрическим методам воздействия в технологии бетона посвяце-I исследования Б.В.Крылова и Я,И.Ли (электропрогрев), Д.Н.Илугина шсокочастотныё токи), В.И.Верещагина (активация дисперсных мате-шов в коронном разряде), Л.А.Юткина. П.И.Бережного, Д.И.Кудяко-I, (активация смесей электрическими импульсами) и др. Рекомендуе-1е при этом параметры обработки охватывают широкий диапазон значе-!й электрического напряжения и тока: от 30-70 В и 80-500 А при 1ектродном прогреве бетона до 1-10 кВ и 0.01-1 А при электроим-|Льсной обработке цементно-водной суспензии или 10-100 кВ и 10-)0 ай при активации цемента и заполнителей в коронном разряде.

Применение при этом тока относительно .высокой плотности приво-!Т к значительному расходу электроэнергии на разогрев бетонной (еси й на протекание электродных процессов (постоянный ток). Кроме >го, повышение температуры бетонной смеси в результате электровоз-гйствий снижает орйентационный эффект постоянного тона в дисперси-шой среде й его роль в процессе формирования структуры бетона.

Активирующее влияние электрических воздействий на бетоннув 1есь или ее компоненты зависит от параметров обработки. Злектриче-!Ий ток критической частоты ускоряет растворение клинкерных минеров, Коронный разряд вызывает деформации их структуры и повыжение ¡акционной способности за счет ослабления и разрыва связи. Са-О-51. )И электроимпульсной обработке под действием электрических, злек-юмагнитных, тепловых и акустических полей происходит разрувение :социатов, поляризация воды, цемента и двойного электрического юя. Механизм активации бетонных смесей и их компонентов в посто-шом электрическое поле раскрыт не в достаточной мере. Нет обосно-шия параметров и режима такого вида воздействия. Так, некоторые ¡следователи отмечэвт влияние полярности электрического поля иа ¡>$ективность электровоздействий, указывают на необходимость перио-!ческой переполвсовки электродов, но не давт однозначного объясне-1Я этим фактам.

Теоретические и экспериментальные исследования закономерностей 1ияния постоянного электрического поля на процессы твердения бе-шных смесей позволят обосновать параметры злектрообработки и- побить ее эффективность в технологии бетона при низком потреблении 1ектроэнергии,

На основе анализа современного состояния проблемы выдвинута шотеза, что при воздействии на бетонную смесь электростатическим шряжением определенной полярности, напряженности поля и плотности

тока, в ней произойдет ориентация молекул воды, Ииляцьсщия ДЗС дисперсных частиц, электризация поверхности заполнителей, цементных зерен и новообразований. Это ¿;:1е?дет к гнияенив энергии активации процессов гидратации и иуклеации, а такме изменит скорость роста продуктов твердения. В результате будет модифицирована структура цементного камня и контактной зоны, что определит более высокие показатели физико-механических свойств бетонов.

2. Механизм активирующего действия электрического напряжения на |фсперснув систему "диэлектрик в растворе электролита"

Цементное тесто и бетонные смеси относятся к дисперсным системам типа "диэлектрик в растворе электролита". Комплекс явлений, протекавших;в них под действием электрического поля, включает следующие процессы:

- электрохимические: окислительно-восстановительные реакции на границе "электрод-дисперсная система";

- поляризационные; на поверхности электрода; молекул дисперсионной среды;, концентрационная поляризация раствора электролита; ДЗС вокруг дисперсных частиц*,

- электродиффузиофорез и электрокоагуляция поляризованных частиц;

- электризация дисперсной системы за счет накопления зарядов на границе раздела фаз.

Введение в электрическую цепь высокоомного сопротивления (воздушный зазор, электройзоляция), ограничивающего величину тока, позволяет максимально ограничить протекание наиболее энергоемких процессов (нагрев материала и электрохимические реакции на электроде) и использовать другие указанные эффекты для управления свойствами дисперсной системы при минимальном потреблении электроэнергии,

В этой связи предложено устройство поляризационной активации заполнителей, цемента, бетонной смеси, характеризующееся тем, что обрабатываемый материал контактирует с одним из электродов, а второй отделен высокоомним сопротивлением (рис,1,1« При подаче на зле-"ктроды постоянного напряжения бетонная, смесь поляризуется, а электрохимические реакции на электроде не происходят. Сделано допуче-ние, что свободные носители зарядов в объеме и на поверхности дисперсной твердой фазы могут взаимодействовать через ДЗС с зарядами дисперсионной среды. Учитывая высокую электрическую емкость частиц в бетонной смеси и то, что основное падение напряжения приходится на сопротивление .изолирующей прослойки, была составлена полная, а затем упроченная, электрическая схема замещения (рис,2). После под-

—I Г

ь.

.Схема устройства -для активации бе-, тонной смеси в электростатическом поле1. 1-контактный электрод; 2-изо-ляционнкй слой; 3-бетонная смесь. .

Рис.2.Упроченная электрическая схема замещения устройства для электростатической активации бетонной смеси; 1?пр,йв !*п-злектрическое сопротивление бетонной смеси (приведенное), изоляционного слоя, ДЗС и ОПЗ на границе раздела фаз "Жидкость-дисперсная частица", соответственно; Сп-емкость ДЗС частиц.

;тановки значений сопротивлений и суммарной емкости ДЭС для цемент-юго теста сечением 10 м с высотой 0.1 м, взятых по литературным (анным, операторным методом проведен расчет электрической цепи и юлучено следующее уравнение переходных процессов для тока 1п(1), юрмального к поверхности дисперсных частиц:

1пт=4.21*10'в *ехр(-1.24*10*и (1) к

Из уравнения следует, что при напряжении в цепи 10^-10 В в ечение 1-2 мс протекает ™к С4-35*10 й, т.е. С4-51*10 й/м2. При акой плотности тока электрохимические реакции на контактном элек-роде протекать не будут. Полученное значение тока является пре-.елькым, т.к. в реальных условиях он будет ограничиваться концен-рацией и подвижностью зарядов в системе, Зти микротоки представля-и собой двиаение ионов жидкой фазы бетонной смеси к поверхности астиц и в обратном.направлении в соответствии с соотношением поля-ностей заряда поверхности и контактного электрода и вектором поля ДЗС, В результате изменятся неравновесное состояние системы и ус-овия твердения.

Передача заряда через ыемфазную границу в системе "раствор злектролита-диэлектрик" оценена в рамках зонной модели. йстановле-но, что под действием внешнего электрического поля в приповерхностной области изменяется уровень Ферми и происходит электроадсорбционный эффект.

Получена следующая зависимость изменения адсорбционной способности (£N/11) поверхности цементных зерен от напряженности электрического поля в ДЗС (Е3 в момент включения внешнего напряжения: Д()/1Ы^*ехр(2*]п(4.38*10 *Е-24.84+((4.38*10 *Е-24.84)* +1 Г-7.Ш (2) где, ^- относительное содержание "про^ноД связанных групп ОН на

0 исходной поверхности ( 0,5*10 ы ), Из уравнения следует, что для проявления эл|ктроадсорбционного эффекта в зависимости от толщины ДЗС (10 -10 м) необходимо напряжение на внешних электродах в пределах 55-53000 В.

■ Изменение зарядового состояния поверхности дисперсных частиц в результате электроадсорбционного эффекта вызывает изменение радиуса действия электростатической составляющей расклинивающего давления (Пе), Это сказывается на процессе формирования структуры и свойствах бетона.

Механизм процесса активации поверхности дисперсных частиц по^ действием электрического напряжения можно представить следующим образом (рис.З,).

Иенфазная граница, заключенная между объемами твердой (0) и жидкой фаз (5), состоит "из четырех зон:

Г- область пространственного заряда твердой фазы (0[)3);

2 - гидроксилированная по диссоциативному механизму поверхность;

3 - вода,,адсорбированная по месту активных центров по координа-

ционному и донорно-акцелторному механизму;

4 - структурированная вода - ориентированный двойной слой, содер-

жащий пропыоионы.

В исходном состоянии заряд поверхности твердого тела, сосредоточенного в ОПЗ и на поверхностных активных центрах, частично компенсируют гидроксильные группы и протоны Н+. Координационная вода связана с последними и обеспечивает регулярность пола поверхности -нейтрализует аномальные поля поверхностных дефектов. К эюму слою прилегают противоионы, имеющие экспоненциальное распределение концентрации в зоне 4- и составляющие диффузную часть двойногр слоя. В этой ше зоне молекулы воды ориентированы в упорядоченную структуру - орн^нтационный двойной слой. За пределами зоны 4 расположена объемная вода с нейтральным электрическим потенциалом.

01 1 12. I э

О)

I!

11

-гх1+ Т сэ

----

Рис 3. Схема строения (а), распределения зарядов (б) и потенциала (в) на границе раздела фаз "Т-1" при воздействии злектрическим ■ напряяенкем. О объем твердого тела; 1 - ОПЗ твердого тела; 2

- гидроксилированная поверхность; 3 - вода, связанная с а.ц.

' координационной и водородными С дон.-акцепт,) связями; 4 - структурированная вода; 5 объемная (свободная) вода; • - актив-, ные центры (а.ц.) на поверхности тв.тела; 0 - противоионы; 1x3

- ионизированная частица (ион);<-> - ловушка зарядов.

. Под воздействием электрического напряжения порядка 10 В и бо лее молекулы окружавдей дисперсионной среды (газ, вода) ионизирую ся, приобретая заряд определенной полярности, и взаимодействуют с поверхностью твердой фазы. Адсорбция заряженных частиц сопровожу ется передачей этого заряда поверхностному слою и возбуждением ш следнего, Возможна также десорбция уже имеющегося на поверхности . радикала/ компенсирующего заряд активного центра. Это такме вызывает индуцирование нового энергетического состояния. Приведенные два механизма активации можно представить в виде следущих схем: Ч 1х) — 1х'1 —♦Сх'^ — СЗ)

ч + [х] —>Сх'1 —' Сх* 1 + !Н ' СхЗК (4)

где ч - заряд от внешнего источника тока; 1x1 - частица:

[х'З - ионизированная частица; \ поверхность твердой фазы; £ - активный центр на поверхности или в 0113;

К - ранее адсорбирочэнннй ион.

Ионизированные частицы изменяют концентрацию противоионов в диффузной части и число активных центров на поверхности и в ОПЗ. В результате изменяется характер распределения электрического потенциала на оси X. В случае .разноименного с поверхностным потенциалом потенциала электрода и «идной фазы V) происходи уменьиение ОПЗ, снижениеи уменьшение диффузионной области 4, Если же то происходит расширение ОПЗ и ДО. 8 некоторой мере имеется аналогия с увеличением или умвньвенивм концентрации противоионов в ДС за счет химических добавок. Отличием электрического способа является то, что ионизированные частицы достигают по верхности, захватываются ловушками и передают поверхности заряд. В результате изменяются величины поверхностного заряда и уровня Ферми, которые являются причиной злектроадсорбционного и ориентацион-ного эффектов.

Кроме токрв, нормальннх к поверхности частиц, протекают и тан генциалькые - токи утечки во вкевнви с.реду через внсокоомнув изоля цию. Последние вызывают поляризацию и деформацию ДЭС вокруг дисперсных частиц, чем способствуют усилению действия нормальных токов ш межфазное взаимодействие. Оптимальное соотновение нормальных и тангенциальных токов может давать больший эффект воздействия на дисперсную систему.

После выключения электрического напряжения начинают идти ре-номбйнационные процессу. Спадает ориентация молекул жидкой фазы,

;есорбируются ионы и комплексы, слабо связанные с поверхностью. Снуема переходит в новое неравновесное состояние, которое отличается ¡т предыдущих и зависит от параметров электроактивации - напряжения I длительности воздействия. Дальнейшее течение процессов гидратации I структурообразования будет зависеть от этого не ,ого состояния.

Если дисперсная система, подвергаемая электровоздействив, со-;ержит газовую фазу, то указанные выше явления дополняются процессии ионизации молекул газа и их участием во взаимодействии с ак-ивными центрами поверхности частиц.

Таким образом, основой для разработки эффективной технологии лектрической активации бетонных смесей и их компонентов являются ледующие положения:

1'.' Дисперсные частицы твердой фазы бетонных смесей способны ад-Орбировать на межфазной границе по месту активных центров электри-:еские заряды в виде ионов, молекул воды, гидратированных электроде, ионизированных молекул газа.

2. Поляризация и электризация ДЭС вокруг дисперсных частиц вызнают обменный ток в момент включения (1-2 мке) электрического поля, еличина тока зависит от электрофизических характеристик системы проводимость сред,, емкость ДЗС), от внешнего напряжения, а также

т концентрации и подвижности носителей зарядов на поверхности и в бъеме частиц твердой фазы. Его предельная плотность составляет (43*10 Д/м бетонной смеси.

3. Для проявления электроадсорбционного эффекта на поверхности :астиц цемента в зависимости от толщины ДЭС необходимо внешнее наряжение 55-55000 8.

4. Поверхностная пленка воды подвержена воздействию электростати-еских сил расклинивающего давления. Изменение их величины, направ-енности и дальнодействия зависит от полярности и значения потенци-ла контактного электрода.

5. Воздействио на бетонные смеси электрическим напряжением при граниченной плотности тока (менее 0,1 А/м2) позволяет исключить ли максимально снизить "энергоемкий электро-химический процесс на онтактном электроде и активировать межфазные и межчастичные взаи-одействия при формировании структуры твердения.

На основании изложенных представлений о механизме процессов ктивации дисперсных твердеющих систем электрическим напряжением ыделены следующие варианты его практического применения; - разработка технологических решений и определение параметров . лектрической активации (полярность, величина напряжения и длитель-

ность воздействия) дисперсных систем "Т-1", "Т-Г-8" и "7-Г" с учетом их состава и состояния на момент обработки;

- воздействие на систему электрическим напряжением в нестационарном режиме: импульсное, в процессе вибрирования.

3. Объекты и методы экспериментальных исследований

В качестве заполнителей были взяты кварцевые, гранитные и известняковые материалы различной дисперсности, молотый доменный гранвдак, зола-унос. Их электрическая активация применялась для практических целей (повышение физико-химических свойств бетона) и для исследования зависимости поверхностных свойств от их зарядового состояния и условий поляризации.

Цементы: портландцемент Ы500 и 11550, шлакопортландцемент М400, пластифицированный портландцемент Ы500. ВНВ-100 - ВНВ-25, а также индивидуальные минералы клинкера, отличавшиеся составом и величиной суммарного поверхностного заряда.

Химические добавки: поверхностно-активные (СДБ, ГК8-10, Дофен, НЛК, С-3), электролиты (СаС14, Иа^О*, На4С0}, КаОН, Са(К0?)1), которые, растворяясь в воде и .адсорбируясь на минеральных частицах твердеющих систем, изменяют заряд их поверхности, свойства жидкой Фазы и строение двойного электрического слоя на границе раздела фаз.

Эффективность электроактивации оценивалась по абсолютной и относительной величине прироста прочности бетона по сравнению с контрольными сериями образцов аналогичных составов.

Исследования особенностей состава и свойств активированных бе-тоное проведены на различных уровнях структуры (цементный камень, цементно-песчаные смеси, тяжелый цементный бетон и газобетон).

Определение электрических характеристик установок для активации, физикогцеханических свойств бетонов проводилось по стандартным методикам.

Процессы твердения вяжущих исследовались методами калориметрии (ТП|-1м), диэлькометрии <ВМ 560), кондуктометрии, рН-метрии (ЗВ-Р4) и др., а структурные и фазовые превращения - по данным РФА (ДРОН-3), ДТА, ИКС Ш-?5), электронной (ИСИ ВОЙ) и оптической микроскопии, ртутной порометрии и по адсорбции азота.

Поверхностные свойства минеральных веществ изучались с использованием спектрофотометрии, рН-метрии (суспензионный эффект) контактирующих с ними жидкостей, методой измерения потенциала течения.

Устройства для активации различных систем электрическим напряжением выполнены таким образом, что обрабатываемый материал контактирует лишь с одним из электродов внешнего источника напряжения.

Второй электрод отделен высокоомной изоляцией (воздух или гетинакс). Постоянный ток получали от источников СЕ-12, НОМ-5 или "Разряд".

4. Электрическая активация компонентов бетона о

Твердые компоненты бетонных смесей отличавтся дисперсностью и вещественным составом. С уменьшением размера частиц возрастает величина меяфазной поверхности и роль последней в формировании структуры композита. Причем, мелкие частицы окрувавт более крупные и предопределявт поверхностные свойства ассоцИатов и их взаимодействие. Следовательно, наибольший эффект от регулирования поверхностных свойств электрической поляризацией проявляется для более дисперсных компонентов бетона (цемент, наполнитель, песок). Кроме того, относительная стабильность хймйи поверхности "инертных" позволяет исследовать обвие закономерности изменения поверхностных свойств в'зависимости от параметров активации электрическим напряжением.

По силе взаимодействия с.поверхностными центрами твердофазных дисперсных частиц электрические заряды условно мовно разделить на слабосвязанные (релаксируемые) и прочно удервиваемые, Последние в течение длительного времени определявт поверхностные свойства материала.

Исследования, проведенные на дисперсиях различных веществ с гидроксилированнымй влагой воздуха поверхностями, позволили распо-ловить их в порядке уменьшения релаксационной способности в следув-иий ряд: зола-унос, доменный гранилак, кварц, гранит, портландце-. мент, известняк.

Установлено, что в результате электрической зарядки поверхности повышается адсорбционная способность сравнительно инертных при обычных условиях умеренно- и слабокислых активных центров (табл.1). При этом, больший эффект достигается в том случае, когда полярность таких центров совпадает с полярностьв электрода вневнего источника напряяения, контактирующего с материалом.

Результаты рН-иетрии (суспензионный эффект) показали, что активация кв|рцевых дисперсий в электрическом поле с напрявенностьв более 5*10 В/ы при его положительной полярности вызывает усиление кислотных свойств поверхности, а при отрицательной - снииение. Для частиц известняка, имеющих суммарный положительный заряд, наблюдается обратная зависимость: поле пологительной полярности вызывав? уменьшение основности поверхности, а отрицательной .- увеличение. Поверхностные свойства гранита в мзньоей мере изменяются в результате злектрообработки.

Таблица 1.

Адсорбция индикаторов Гаммета на кварце, активированном в электростатическом поле

рКа I Адсорбция I Адсорбция индикатора (мг*моль/г) на диспе|сии,

индика-1 на исход- I поляризованной при напряженности поля, 10 В/м

■ тора I ном квар- I —-------------------------------------------

I це д ,, I I I I

I кг*моль/г I 3 I 4 . I 8 I 12

4,6*10* / 4,3*10* / 2,9*10* / 2,8*10 /

-4,40 3,8*10 4,2*10* 3,0*10* 2,9*10* -4 2,6*10

-5 2,0*}0 / 11,8*1СГ / 10,8*10* / 2,0*10*/

-0,29 2,0*10 11,2*10* 10,8*10^ -5 5,6*10 -к 11,0*10

1.9*105 / 1,7*10"4 ! 1,3*10* / . - -1 1,9*10 /

7,3 1,9*10 1,3*10* -4 1,3*10 -5 5,6*10 -4 1,1*10

-4 '8,В*104 / 10,8*10"* / 9,1*10* / 8,9*10 /

8,8 8,45*10 8,6*10* 6,3*10* 8,7*10* -4 8,6*10

-А 2, 5*10* / 9,8*10* / 7,15*10* / 14,4*10"*

12,8 , 4,75*10 -и 2,6*10 9,0*10* 12,43*10* 17,6*10

Примечание: х) - в числителе приведены данные для дисперсий, поляризованных при ее контакте с положительным электродом; в знаменателе - с отрицательным.

По данн-.-м измерения потенциала течения установлено, что в случав соответствия полярностей поверхности частиц и вневнего электрического поля ДЗС ;ас»иряется, а дзета-потенциал увеличивается; при противоположных полярностях наблюдается обратный эффект. Зти качественные' зависимости соответствует принятой физической модели, подтверждают наличие электроадсорбционного и ориентационносо эффектов,

позволяет прогнозировать изменение структурирующей и реакционной способности дисперсных компонентов бетона, активированных электрическим напряжением.- °

Так, активация кварцевого песка В электростатическом поле отрицательной полярности приводит к увеличению удобоукладываемости растворных смесей (диаметр расплыва конуса от 117 до 122 мм). Сочетание добавки раствора ПАВ (СДБ) и активации песка в поле положительной полярности повышает данный показатель до 128 мм. Экспериментально установлено, что максимального эффекта пластификации можно достичь при следующих параметрах электрообработки:

- электрический потенциал контактного электрода +-10 кВ;

- влажность активируемого песка 7.5%:

- количество добавки СДБ 0.075Х от массы песка.

За счет активации песка получена равноподвижная смесь (118 ми) при В/Ц=0.36 против В/Ц=0.4 для контрольной серии. Аналогичный эффект получен и при активации гранитного отсева.

Структурообразув^ая роль электроактивированных заполнителей изучена на примере смесей портландцемента и молотых материалов (80 и 20'/. по пассе, соответственно) с В/Т=0.25. Зстановлено, что активация дисперсных наполнителей электрическим напряжением замедляет структурообразование в начальные сроки и интенсифицирует рост пластической прочности на этапе формирования конденсационно-кристалли-зационной структуры по сравнении с твердением аналогичных смесей на неактивированных материалах.

Злектрообработка заполнителя влияет на толщину контактной зоны с повывенной микротвердостью. Так, на исходном кварците иирина зоны контакта составляет 20-30 мим, на активированном полем отрицательной полярности 30-40 мкм, а полонительной 20-25 мкм, Это согласуется с принятой физической моделью. Для гганита эти отличия выражены в меньшей мере. ПрименениадаствСра СДБ в качестве смачивающей заполнитель жидкости изменяет оптимальную величину и полярность электрического поля. Активация поверхностных активных центров заполнителей сказывается на структуре, контактной зоны: изменяется ее пористость и плотность контакта, повивается степень кристалличности портландита, гиллебрандита и гиролитз. Это свидетельствует о повы-иении дальнодействия возбужденных поверхностных центров.

Наибольший эффект повквения прочности бетона за счет активации заполнителей был получен при сочетании водного раствора ПАВ (лигно-сульфоната кальция) с электрическим напряжением при следующих параметрах:

- для кварцсодержащих материалов - отрицательный потенциал 7.5 кВ или положительный потенциал 10 кВ;

- для карбонатных пород - отрицательный потенциал 7.5 кВ;

- для гранитных пород - отрицательный или положительный потенциал 10 кВ,

Прирост прочности бетона (при сжатии) при этом составляет 2540%. Увеличение подвижности бетонных смесей на активированных заполнителях снижает энергоемкость формования изделий или позволяет экономить до 15* цемента.

По сравнению с природными заполнителями бетона клинкер портландцемента обладает большей дефектностью структуры, и концентрация носителей зарядов в нем достигает 10 м' . Минералогический состав клинкера и добавки в цемент (АМД, ПАВ) определяют интегральные поверхностные свойства вяжущего, а следовательно и оптимальные параметры электроактивации.

Так, максимальное повышение прочности портландцемента получено при следующих условиях:

- напряженность электрического поля отрицательной полярности 3,3*105 В/м;

- продолжительность электровоздействия 2-3 мин;

- длительность выдержки цемента после активации 5-15 мин.

Для вяжущих низкой родопотребности (ВНВ-100 и ВНВ-75) оптимальные значения напряженности поля и времени активации составляют 15*10 и 3*10* В/м и 1 и 5 мин, соответственно.

В порядке уменьшения эффективности активации исходных цементов получен следующий ряд для минеральных добавок: молотый кварц, доменный гранулированный шлак, зола-унос. Прирост прочности цементного камчя в данном ряду уменьшается с 34 до Ш. С увеличением тонкости помола абсолютный показатель эффективности злектроактивации цемента растет, а относительный понижается.

Калориметрическими исследованиями скорости тепловыделения при твердении вяжущих установлена более высокая интенсивность взаимодействия активированных цементов с водой в начальные сроки твердения. Данный показатель увеличивается с повышением напряженности электрического поля. При этом индуцированная поляризацией активность исходных вяжущих с течением времени их выдержки перед затво-рением уменьшается в три этапа (рис,4). В первые 2-2.5 ч ее снижение максимальное, в интервале времени 2.5-11 ч скорость тепловыделения изменяется незначительно, а в период 11-30 ч снижается линей. но. Уменьшение скорости зкзотерыии активированных цементов в первые

17 '

часы выдержки можно объяснить протеканием, процессов релаксации деформированного двойного электрического слоя вокруг частиц и разори-ентации их дипольных моментов. На втором и третьем этапах происходит нейтрализация возбужденных активных центров на поверхности и в ОПЗ по электростатическому механизму вследств!- сорбции молекул кислорода и влаги из атмосферы.

Рис.4.Влияние длительности выдержки активированного портландцемента (1), (2) и смеси Сзй+Са504*2Н20 (3) на максимальную скорость тепловыделения при гидратации. Рост интенсивности взаимодействия с водой активированных вяжущих по сравнении с неактивированными подтверждается данными о скорости их растворения в суспензии 1:100 и изменениями процессов структурообразования цементного теста. При этом отмечено, что интенсивная гидратация'цемента, активированного в электрическом поле с напряженностью более 4*10 В/н, сникает эффективность электрообработки. Это объясняется известным "принципом соответствия".

Активация цемента электрическим напряжением при оптимальных параметрах позволяет повысить прочность бетона на 25-30%. Исследования темпов набора прочности бетона в процессе тепловлажностной обработки показали, что в период изотермической выдераки при 80 " С этот показатель имеет логарифмическую временную зависимость;

0сж=А+В*1пТ.

Коэффициент В для бетона на активированном цементе в 1.35 раза вы- . ие, чем для бетона на исходном цементе. При твердении бетонов в но-рмально-влажностных условиях активация цемента сказывается в период 14-21 суток.

Бетон повышенной прочности на активированном цементе по сравнении с бетоном на неактивированном цементе характеризуется повышенной степенью гидратации цемента (на 1.3-22 по потере массы при прокаливании) и в том числе алита; увеличением степени конденсации гидросиликатного геля; перераспределением дифференциальной и уменьшением обцей пористости бетона.

5, Электрическая активация системы "цемент-вода"

Твердеющие системы (цементные пасты и бетонные смеси) с позиций их электроактивации отличаются динамикой поверхностных свойств (изменяется концентрация активных центров в результате гидратации, образуются новые продукты твердения высокой дисперсности) и соотношением между твердой и жидкой фазами (химическое связывание воды, структурирование воды новообразованиями), В этой связи исследования зависимости прочности от параметров электроактивации данных систем проводились с учетом факторов исходного состава и времени гидратации.

Влияние минералогического состава цемента на эффективность злектро?оздействия оценена на модельных смесях мономинералов клинкера. Наиболее "отзывчивые" к воздействию электрическим полем области минералогического состава клинкера представлены на рис.5. Эти данные позволяет определять требуемую полярность электрода, контактирующего с цементным тестом на стадии его схватывания. Особое значение при этом имеет содержание в клинкере Сзй, наиболее активного минерала, определяющего в этот период суммарный заряд поверхности всей системы. При его содержании в клинкере до 4-52 на цементное тесто необходимо подавать отрицательный потенциал, а при более высоком - положительный. Т.е. для достижения максимального эффекта от электроактивации необходимо, чтобн полярность контактирующего электрода совпадала со знаком интегрального заряда поверхности дисперсной фазы. При этом необходимо учитывать возможную перезарядку поверхности твердой фазы при использовании добавок или в процессе твердения. Так, при активации бетонных смесей, содержащих добавки лигносульфонатов (СДБ, /1СТУ), необходим их контакт с положительным потенциалом, а смесей с добавками "Дофен" и ГК8-10 - с отрицательным. Предпочтительным является положительный потенциал в сочетании с добавкой щелочных солей, а отрицательный - с добавкой в бетонные смеси соединений, содержащих ионы кальция или алюминия. Цементное тесто на основе шлакопортландцемента активируется электрическим полем любой полярности; на основе золосодержащих вяжущих - отрицательной; известняксодержащих - положительной полярности. При твер-

¡с. 5.1-. Изолинии прироста прочности образцов, в X, В системе С}5-Сзй-С/^йР при активации теста электрически* полем поломитель-ной (а) и Ьтрдпщ^пьной (б) полярности.

дении бетонной смеси на малоалюминатном цементе (С5Й=5.1/!) в первые 40 мин необходимо подавать на электрод отрицательный потенциал, а затем - положительный. ■

Эффективность электроактивации бетонных смесей повышается с увеличением плотности тока до 0.4 шА/м2, а при более высоких значениях последней - стабилизируется.

Зависимость прироста прочности активированного поляризацией цементного камня и бетона от напряженности электростатического поля в области полей более 105 В/м подчиняется логарифмическому закону. Полностью экранированные образцы также обнаруживают повышение прочности ( 20-252), что связано, с. электризацией поверхности дисперсных частиц цемента и продуктов гидратации на межфазной границе.

В процессе злектрообработки цементно-водных систем, особенно в начальный период, наблюдается интенсивное испарение влаги при на-пряженностях электрического поля 3*10* и 10* В/м, Это приводит к повышению плотности дисперсной системы, а также к образованию миграционных каналов в структуре камня. Максимальный эффект активации получен для теста нормальной густоты на цементе с удельной поверхностью 300*20 м2/г. Наиболее "отзывчивыми" к воздействию электрическим напряжением являются систекы,находящиеся в стадии формирования пространственного каркаса конденсационно-кристаллизационной • структуры. Прирост прочности цементного камня при этом составляет 35-382 (рис.6.).

Исследованиями процессов гидратации и структурообразования портландцемента и отдельных минералов клинкера установлено, что в начальные сроки твердения (70-100 мин) пластическая прочность активированного цементного теста ниже, чем для контрольной пробы, а жидкая фаза отличается повышенной концентрацией Са . В дальнейшем сокращается длительность индукционного периода и происходит, быстрое увеличение пластической прочности теста вяжущего, особенно при его контакте с электродом оптимальной полярности. Интенсивный рост электрического сопротивления проб цементного теста в этот период свидетельствует об уменьшении проводимости жидкой фазы системы в результате ускорения процессов гидратообразования и структурирования.

Изменение начальных условий твердения цементных паст с помощью электрической поляризации сказывается в дальнейшем на процессах гидратации. х

Дерива;аграфические исследования образцов цементного камня показали, что количество химически связанной воды у активированных проб больше по сравнению с контрольными на 2-У/, и в основном за

+ 38%

+55%

ис.В.Кривая структцрообразования (а) и прирост прочности (б) активированных образцов в зависимости от времени С——О приломв-ния электрического поля, чет гидросиликатов и гидроалвминатов кальция, дегидратируемых в нтервале 140-480 °С. Фазовый состав продуктов твердения таких об-азцов отличается наличием мелкодисперсных и стабильных во времени ортландита и эттрингита, а такме более высокой степеньв конденса-ии гелеобразных гидросиликатов кальция. При этом особое значение риобретает полярность электрического поля. В частности, эттрингит, бразувщийся в поле поломительной полярности, имеет меякозернистув труктуру и образует на поверхности кварцевого наполнителя тонкув ленку. Контакт ве теста СС3А+Са50^*2Н1.0) с электродом отрицатель-ой полярности определяет плавный переход геля (пленки) в явно вы-ааенные кристаллики эттрингита. Установлено такме более компактное асполовение кристаллов эттрингита возле трещин и пор цементного амня, т.е. на участках с высокой концентрацией активных центров, и де изменяется диэлектрическая проницаемость среды.

По данным ИКС, ДТА, РФА основными эффектами при твердении це-ентов, вызванными влиянием электрического поля, является следуи-ие:

- повнвение степени гидратации алита;

- снижение интенсивности формирования первичной коагуляционн! структуры и уменьшение возникающих при этом внутренних напряжений

- изменение скорости образования гидросульфоалюминатной сос-тавляюцей структуры в зоне поверхности С$А и в объеме жидкой фазы в зависимости от полярности внешнего злектрического поля;

- изменение дисперсности новообразований, их склонности к ка бонизации и соотношения между низко- и высокоосновными гидросилик. тами кальция.

По данным ртутной порометрии активированные электрической по ляриэацией образцы цементного камня имеют примерно в 2 раза мены объем пор и их средний размер |аосчет уменьшения количества пор и капилляров с радиусом 10 ...10 А. В то же время удельная поверхность, определяемая по методу БЗТ, также является меньшей для акт вированных образцов. Последнее свидетельствует о прохождении боле глубоких конденсационных процессов при формировании гелевой соста лающей структуры цементного камня.

Модифицирование электрическим полем кристаллогидратной и пор вой микроструктуры цементного камня обеспечивает повышение его пр чностных характеристик.

б. Электрическая активация в технологии бетона и изделий

С момента затвореция бетонной смеси и до начала тепловой обр ботки изделий система проходит ряд качественных этапов: смачивани поверхности частиц твердой фазы водой, растворение клинкерных мин ралов и насыщение жидкой фазы ионами, зародыиеобраз.ование гидратн фаз, химическое и адсорбционное связывание воды на фоне повышения концентрации твердых фаз и увеличения поверхности раздела на гран це "Т-1", контактообразование и конденсация, приводящие к потере тиксотропных свойств и формированию конденсационно-кристаллизацио ной структуры бетона. Интенсивность указанных процессов зависит о ряда факторов, но с позиций злектровоздействия интерес представля три состояния свойств бетонной смеси: начальный этап, когда проис •ходят адсорбционные процессы, насыщение жидкости продуктами гидро лиза и часть воды затворения находится в свободном виде; тиксотро ное разрушение и восстановление коагуляционной структуры бетонной смеси при вибрационном формовании изделий, когда разупорядоченные механическими воздействиями иеячастичные и яидкофазные связи снов организуют пространственную структуру; период роста пластической прочности бетонной смеси в свежеотфор'кованных изделиях перед теш: вой обработкой, обусловленный образованием и развитием пространст венного каркаса кристаллогидратной структуры с новообразованиями

азличной степени дисперсности.

Изучены два варианта активации бетонной снеси электрической оляризацией: в бетоносмесителе в процессе перемешивания и в бунке-е выдерживания перед укладкой в формы.

Был разработан индуктивный способ воздействия высоковольтным лектрическим полем. На внешний электрод (индуктивный электрод) по-авали однополупериодный положительный электрический потенциал, ко-орый создавал в бетоносмесителе электрическое пульсирующее злек-рическое поле. Величину напряжения регулировали трансформатором ри силе тока 150-200 мкй/м2. Воздействие полем осуществляли в те-ение всего цикла перемешивания (3 мин). Полученные данные показы-авт, что обработка бетонной смеси в электрическом поле позволяет Ьвысить прочность после пропаривания тяжелого бетона на 5-8 НПа и егкого на 9-11 МПа. Удельные затраты электроэнергии при этом сос-звлявт 20-40 Вт#час/мЗ.

Оптимизация параметров электроактивации бетонной смеси перед иброуплртнением в бункере выдерживания проведена по центральному змпозиционному ротатабельному плану второго порядка, В качестве ^зависимых факторов были выбраны следующие: XI - величина элек-зического потенциала, подаваемого на бетоннув смесь, кВ; Х2 - вре-I воздействия электрическим напряжением, мин. Критерием оптимиза-<и был выбран относительный прирост прочности пропаренного бетона.' исследованиях использовали бетонные смеси на трех видах цемента: ]ртландцемент Н500; пластифицированный цемент М500; вяжущее низкой ¡допотребности ВН8-25 МЗОО.

В пределах изученного факторного пространства оптимальными па-шетрами электрообработки бетонных смесей являвтся следующие:

- величина электрического потенциала 15-20 кВ;

- время электровоздействия 2-3 мин;

Удельный расход электроэнергии на электроактивацив бетонной шеи составляет 50 Вт*час/мЗ.

Установлена также высокая эффективность электрйвоздействия |ектрическим напряжением в процессе виброуплотнения бетонной сме-I. При этом максимальное повышение прочности (37-402) получено ак-юацией по одноэлектродной схеме с подклвчением формы к отрица-льному полюсу источника внешнего напряжения 3-7 кВ и при плотнос-тока 0.2-2 аА/м2. Важнейвув роль в данном способе обработки иг-вт величина "истинного" водоцементного отношения. Оптимальная об-сть значений последнего находится в пределах (0,9-1.2) Нг цемен.т-го теста.

Злектроактивация бетонной смеси в свежеотформованных изделия) на стадии их предварительной выдержки перед тепловой обработкой мс ■ет совпадать с различными периодами процесса структурообразованм

Скорость последнего определяется прежде всего видом цемента, наличием добавок и составом бетонной смеси. В соответствии с этим необходимо производить оптимизацию параметров электровоздействия для конкретных случаев.

Разработан экономичный способ активации бетонных смесей электрическими импульсами малой мощности. Установлено, что определят^ ми факторами повышения прочности бетона являются напряженность эле ктрического поля в комент разряда и число импульсов. Повышение емкости конденсатора-разрядника сверх .940 пф приводит к уменьшению эффекта активации. Полярность контактного электрода должна выбираться с учетом вида применяемого цемента. Для рядовых цементов 01-должен быть отрицательным, а для ВНВ - положительным. В последнем случав кроме.повышения прочности камня вяжущего возможно сокращен!: на 3-5 час продолжительности предварительной выдержки изделий,

Полученные данные показывают, что при воздействии на бетонну^ смесь разрядами электрических высоковольтных импульсов малой мощнс сти достигается электрофоретическое концентрирование и электрокоагуляция дисперсных компонентов. Это приводит к дифференциации поре вой структуры ^етона - относительному уменьйению капилляров с ради усом 100-1000 А за счет увеличения удельног^ содержания макропор с радиусом более 1000 А и гелевых пор (18-30 Я).

Эффективными параметрами активаций свежеотформованных изделий электрическими импульсами малой мощности являются следующие:

- напряжение разряда - 16-24 кВ;

- удельная емкость разряда - 900-1000 мкф/мЗ;

- количество электрических разрядов - 8-15.

Удельные затраты электроэнергии на 1 мЗ свежеотформованных из делий составляют 200-250 Вт*час. Активированные бетоны отличаются .повышенной на 20-35% прочностью, меньшими усадочными деформациями, большей морозостойкостью.

Отличительной особенностью газобетонных смесей с позиций их электроактивации является наличие двух видов поверхностей раздела фаз: на границах "жидкое-твердое" (Т-Е) и "жидкое-газообразное" (И-Г). В процессе образования ячеистой структуры происходит перераспределение между водой, структурированной дисперсными частицами твердой фазы, водой, граничащей с газовой фазой, и свободной водой которая находится в мекчастичноы пространстве и на участках между

твердой и газовой фазами структуры.

Экспериментально установлено, что воздействовать электрическим спряжением на ячеистобетоннув смесь необходимо в период газообра-¡ования, т.е. в процессе формирования ячеистой структуры. При этом юдачу напряжения целесообразно осуществлять по одноз^вктродной :хеме, т.к, при двухэлектродной схеме наблюдается заметное снижение ^ фочности газобетона.

Основными факторами, влияющими на эффективность электроактива-|ии, являются состав бетонной смеси, знак и величина электрического ютенциала, подаваемого на форму от внешнего источника высокого наряжения в период газообразования. Оптимальные параметры электрово-действиа, дающие максимальный прирост прочности пропаренного или втоклавированного газозолобетона, являются следующие:

- электрическое напряжение - 5-10 кВ;

- электричесйий ток - 0.5-2 вА/м2;

- период воздействия - 15-50 мин С интенсивное гаэообразова-

ие);

Удельные затраты электроэнергии составляют 50-100 Вт*час/мЗ,

Активированная газобетонная смесь отличается больжей 'скоростью оста пластической прочности. Причем, в интервале времени 50-100 ин пластическая прочность смеси, активированной потенциалом минус кВ, превышала этот показатель для других вариантов. Это объяснятся состоянием дисперсной фазы, близким к изопотенциальному, и ближением частичек. Интенсивный же рост пластической прочности актированных смесей связан прежде всего с возбуждением активных це-гров поверхности твердой фазы и с повышенной гидратационной спорностью последних. В результате активации газобетонной смеси на )-60 минут сокращается длительность вызревания изделий перед теп->вой обработкой и время их изотермического прогрева при пропарива-1и или автоклавировании с условием достижения заданной прочности ¡тона.

На основании выдвинутых теоретических положений, особенностей руктуры газобетонной смеси и экспериментальных данных показано, о злектрообработка влияет в следующих направлениях:

- возбуждение активных центров на поверхности и в 0ПЭ частиц ердой фазы, интенсификация гидратационных процессов;

- селективное структурирование воды на границах раздела фаз вердое-жидкое" и "жидкое-газообразное" и стимулирование ее редакции в процессе формирования ячеистой структура;

- усиление межчастичного взаимодействия и конденсационных про-

цессов,. ведущих к уплотнению межпоровых перегородок,

7, Эффективность электрической активации в технологии бетона и изделий

Эффект повышения прочности цементного камня и бетона за счет активирующего влияния электрического напряжения может быть использован для различных целей: повышение прочности и надежности издели{ и конструкций; уменьшение расхода цемента в бетоне; снижение затрат тепла на тепловую обработку изделий при сокращении времени изотермического прогрева; увеличение оборачиваемости форм и тепловых установок при укороченных режимах тепловой обработки, применение заполнителей низкого качества. Рациональность выбора одного из этих вариантов определяется величиной получаемого при этом экономического эффекта.

Промышленные испытания разработанных способов электроактивацш бетонных смесей проведены в условиях действующих производств Донецкого ЗСК, Благовещенского 31БИ N"14 и в Управлении вспомогательных работ ПО "Когалымнефтегаз".

Разработаны схемы и принципы устройства опытно-промышленных постов для активации бетонных смесей й их компонентов. Их основные технические характеристики приведены в табл.2.

При выборе рационального способа электроактивации необходимо учитывать условия и технологические особенности конкретного производства.

Лабораторными и опытно-промышленными испытаниями показана возможность за счет электроактивации экономить 4-16Х цемента и повысить однородность бетона.

Исследованиями, проведенными по заказу ПО "Когалымнефтегаз", установлена целесообразность организации производства изделий и конструкций из песчаного бетона на основе активированного цемента, а также газобетона. Расчет стоимости материалов на 1 мЗ бетонов подтвердил высокую эффективность злектроактизации. За счет перевода производства на песчаные бетонные смеси снижение стоимости материалов составляет 82.

Использование в технологии газобетона активированных наполнителя и смеси позволяет уменьшить стоимость изделий на 4-6,5% от стоимости базового состава.

Интенсивная гидратация и рост пластической прочности бетонных смесей, активированных электрическим напряжением, являются предпосылками для укороченных режимов тепловой обработки изделий на их основе, и прежде всего для сокращения длительности изотермической

выдержки.

Таблица 2,

Технические характеристики постов активации бетонных смесей

Наименование I Технические характеристики устройств активации

технологичес- I--------------------------------------------------

кого этапа или1электри-1длителъ-1адеяъ- 1относи- ¡прирост проч-способа элект-1ческое 1ность 1ные за- 1тельный 1ности на.вди-роактивации 1напряже-1обра- 1траты ¡прирост 1ницу энерго-1ние, кВ 1ботки, ¡энергии 1прочности1затрат I 1мин 1Вйчас/м31бетона, ¡Ш/ВАчас

1 12 13 1 4 15 I б

1. В процессе 2.5.. .3 2...3 20...40 20...25 1...0.5 приготовления

бетонной смеси

2. Перед виб- 15...20 2...3 50 20...50 0.4...1 роуплотнением

смеси, в бункере выдержки

3. В процессе 3...7 2...5 1.5...2 20...40 10...20

зиброупдотне-

чия ^ • •

1. Выдерживание изделий теред ТВ0

1.1. Стацио- 15...20 15...120. 150...200 15...25 0.1...0.2 гарный режим

штивации

1.2. Импуль- 16...24 1...2 200,..250 20..,40 0.1...0,2 ;ные электри-

1вски8 разряди

На примере бетона В15 (Н200) показано, что для достижения отменной прочности для образцов контрольной серии необходим изотерический прогрев при 80 С не менее 7 ч, а для активированных - 4.5 ч. Это позволяет повысить производительность тепловых устано-ок и оборачиваемость форм. В зависимости от класса бетона по проч-ости, вида применяемого цемента и эффективности активации сокраще-

ние длительности изотермической выдержки составляет 1-5 ч.

Активация заполнителей бетона (мелких песков, отсева камнедро-бления, золошлаковой смеси) комплексным способом, включающим применение химических добавок (ПАВ, электролитов) и электрообработку, позволяет получать бетоны требуемого класса по прочности Ш5-В30) Себестоимость материалов на 1 мэ бетона при этом ниже на 5-8%.

ОБЩИЕ ВЫВОДИ

1. Разработана малоэнергоемкая технология электрической активации бетонных смесей и их компонентов, сущность которой заключается в использовании эффектов поляризации и электризации двойного' электрического слоя вокруг дисперсных частиц. Предложена физическа! модель активирующего действия электрического поля на дисперсные си стемы, в

. ' 2. Исследованием физической модели установлено, что в момент включения (1-2 мсД электрического напряжения 55-55000 В с плотностью тока (4-5)*10 й/м на поверхности дисперсных частиц в раствор электролита проявляется электроадсорбционный эффект, поляризация молекул воды и двойного электрического слоя, отсутствуют электрохи мические реакции на контактном электроде. В системе "цемент-вода" создаются новые неравновесные условия процессов гидратации и струк турообразования. ■

3. Получена обобщенная зависимость кислотно-основных свойств заполнителей бетона от параметров внешнего электрического поля, со гласно которой при напряженности поля более 5*10 В/й и соответствии его полярности знаку заряда поверхности дисперсных частиц двой ной электрический слой расширяется и увеличивается дзета-потенциал а при разной полярности - уменьшается и перезаряжается ДЗС; на поверхности кремнезема на один - два порядка повышается адсорбционна активность умеренно- (рКа=-0.29) и слабокислых (рКа=7".3) центров.

4, Показано, что структурообразующая роль и свойства контактной зоны активированных поляризацией заполнителей зависят от поляр ности и напряненности внешнего поля и состава смачивающей жидкости Разработан комплексный способ модифицирования свойств поверхности заполнителей (смачивание их раствором ПАВ или электролита в сочегг нии с электрической поляризацией), который повывает подвижность бе тонных смесей при сохранении прочности бетона. Максимальный аффек! получен для кремнеземистых заполнителей при напряжении поляризацш минус 5 - минус 10 кВ, а для известняковых +5 - +10кВ, Предварительно увлажненные раствором СДБ (0,075% масс.) заполнители иеобх< димо активировать при электрическом напряжении +5 - +7.5 кВ,

5. Электростатическая активация исходных цементов при напр. 1ности поля ~(3-5)#105 В/м, и длительности обработки 2-5 мин оое-зчивает интенсивную гидратации CjS и С3А и повышение прочности рентного камня на 30-50И, Эффективность электроактивации цементо? «инеральными добавками уменьшается в следующем ряду: без добавок *варц - доменный гранвлак - зола-унос ТЭС.

6. Установлено, что оптимальным временем электростатической 1яризационной активации цементного теста или бетонной смеси явля-;я вторая и начало третьей стадии структурообразования, т.е. при )азовании пространственного каркаса конденсационно-кристаллизаци-(ой структуры. При этом полярность внешнего поля должна совпадать знаком интегрального заряда поверхности твердой фазы, а его каление находиться в пределах 15-20 кВ при плотности тока 0,4-0,6 'м .

7. Структура цементного камня, активированного электрической шризацией на стадии схватывания, отличается повышенной степенью (ратации и платностью, содержанием мелкодисперсных и стабильных времени портландита и эттрингита. Установлено, что эттрингит при 1ицательной полярности внешнего поля образуется в виде крупных [сталлов, а при положительной - в виде мелкодисперсных.

8. Достигнута высокая эффективность электроактивации бетонных ¡сей в нестационарных режимах: в процессе виброуплотнения (при-:т прочности 25-402), импульсными электрическими разрядами малой [ности (прирост прочности 25-352), в период вспучивания газобето-(прирост прочности 30-50%).

9. Разработана способы, технологические речения злектроактива-[ заполнителей бетона (A.c. N"N"1351904 и 1740355), бетонной сме-(А.с, N"1663345), свежеотформованных изделий (A.c. N"N"1135737, 3795, 1491861 и положительные решения по заявкам К"К"4943740\33 943741\33).

10. Эффективность технологии бетона с применением злектроакти-ии состоит в расширении сырьевой базы заполнителей для бетонов лкие пески, отсев камнедробления и отходы промышленности), в поении скорости твердения и прочности бетонов (20-50%), в сокраще-

длительности тепловой обработки изделий (1-5 час) и экономии ента (14-162),

Основное содержание диссертационной работы изложено в следу«-публикациях:

1. Способ изготовления бетонных изделий: A.c. N"1135737; С04В 02/Вкляр B.C., Матвиенко В.А., Скачко Н.И.-N"3367214/29-33; за-

явл, 17.12.81.; опубл. 23.01.85, бил. N"3.

2. Способ изготовления бетонных изделий: A.c. N"1143735 С04В 40/02/Матвиенко В.ft., Губарь В.Н., Скачко Н.И.- N"3494521/29-33; эаявл. 22.09.82.; опубл. 07.03,85. бил. N"9.

3. Способ приготовления бетонной или растворной снеси: А,с, «"1351904; С04В 28/00, 20/10/ Матвиенко В,ft., Беляк В.П., Губарь В.Н., Вматченко А.П.- N"3959474/31-33; заявл. 27.00.85,; опубл. 15.11.87. бил. N"42,

4. Способ обработки бетонных изделий: й.с. N"1491861; С04В 41/61/Натвиенко В.ft., Губарь.В.Н.* Дрозд Г.Я., Косьмина В.Г.-N"4178323/31-33; заявл. 06.01.87.; опубл. 07.07.89. бил. N"25.

5. Способ приготовлении бетонной смеси: A.c. N"1668345, С04В 40/00/ Матвиенко В.А., Губарь В.Н., Макеев В.П., Васвкевич С.Г,-N"4671426/33; заявл. 07.02.89.; опубл. 07.08.91. бил. Н"4.

6. Способ активации золы для приготовления бетонов и растворов: A.c.- N"1740355; С04В 40/00/ Матвиенко В.А., Васвкевич С.Г,, Губарь В.Н.- N"4823879/33; заявл. 07.05.90.; опубл. 15.06.92, бвл. N"22.

■ 7. В.Ойга, Ü.MatvlJenko. Strukture a vlastnostl ceeentoveho kaiena tuhnuceho v elektrlcko» poll /Zbornlk vedecklch prac SvF SUST.- Bratislava.: 1983. r S. 293-298.

8. Гранксвский И.Г., Пасечник Г.А., Матвиенко В.А, и др. Нти^ лизация иахтных вод и «ламов из отстоя //Химия я технология воды,-1986.- T.8.- И.- С. 46г49.

9. Матвиенко В.А,, Сычев М.М., Стрижев Е.Ф., Губарь В.Н, Поляризация цементного теста на стадии структурообраэовакия' // S, прикл, химии -1987.- Н"3.- С. 547-550.

10. Матвиенко В, А,, Сычев М.М., Губарь В.Н. Электростатическая поляризация цементного теста на основе смеси мономинералов /У В. прикл. химии -1987,- N"4.- С.' 952-955,

11. Матвиенко В.А,, Сычев М.М. Активации твердения цементного теста путем поляризации // Цемент.- 1987,- N"8.- С. 7-8,

12. Матвиенко В.А., Сычев М.М. Электрическая поляризация на этапах формирования структуры цементного теста // Цемент,- 1988,-N"5.- С. 15-16. .

. 13. Матвиенко В.А., Сычев М.М./Губарь В.Н. Модифицирование поверхностных свойств кварцевого песка в электростатическом поле // Известия ВНоов. Химия и химическая технология.- 1988,- N"7,- С. 6871.

14. Матвиенко В.Й., Сычев М.М, Поляризационная активация твер-

дения цемента // 8. приял. ; имии - 1988,- Н"9.~ С, 2023-2028.

15. Сычев М.М., Матвиенко В.Й., Губарь В.Н. Регулирование -свойств контактной зоны / Труды Гос.НИИ цементной промышленности,-1988,- N а/.- С. 145-149.

16. Матвиенко В.Й., Сычев М.М., Черешня О.Ф. Твердение цемента в электрическом поле / Труды Гос.НИИ цементной промышленности.-1988,- N"97.- С. 140-144.

17. Матвиенко В.А,, Губарь В.Н., Черешня О.Ф. Электрическая поляризация в технологии бетона / Новые технологические решения для строительной промышленности Донбасса,- К.: УМК ВО.- Сб. научн. тр., 1389.- С. 32-37.

18. Матвиенко В.Д., Сычев М.М., Черешня О.Ф. Влияние электрической поляризации на процессы твердения цемента // Известия ВУЗов. "Химия и химическая технология".- 1990.- Н"8,- С. 95-98.

19. Матвиенко В.А., Губарь В.Н. Злектроактивация поверхностях свойств минеральных отходов промышленности 7 Использование от-<одов промышленности для производства строительных материалов,-<.: УМК ВО.- Сб. научн. тр., 1990. - С. 30-37.

20. Матвиенко В.А., Сычев М.М. Энергозатраты при поляризации ¡етонной смеси // Электронная обработка материалов.- 1990,- N"5,-

47-49.

21. Матвиенко В.А. Влияние напряженности электрического поля

[а прочность цемента // I. прикл. химии - 1991.- Н"9,- С. 1857-1861.

22. Матвиенко В.А., Косьмина В.Г. Поляризационная активация ;емента с добавками // Прогрессивные конструкции и материалы для троительства в условиях Донбасса,- К.: Сб. научн. тр., 1991. - С. 3-98.

23. Матвиенко В.А., Черешня О.Ф, Кристаллизация зттрингита в лектростатическом поле // Цемент,- 1992,- Н''3.- С.ЗВ-41.

24. Матвиенко В.А., Вешневская В.Г. Здектроимпульсная обработ-а свежеотформовакных изделий// Строительные материалы и конструкции 1992.- N"N"3-4.- С. '¿7-28. , "

25. Матвиенко В.А. Поверхностные свойства поляризованных квар-эвых дисперсий //•!. физ. химии.- 1993,- Т. 67.- Н"7 -С. 1536-1538,

26. Бабушкин В.И,, Матвиенко В.А., Васюкееич С.Г., Лагунов Ю,й. здратация цемента, активированного током высокого напряжения // тестия ВУЗов, Строительство, 1993,- Н"2 -^С. 47-50. ' '

27. Матвиенко В.Й., Губарь В.Н. Поляризационная активация эа-шштелей бетона / Тезисы Всесоюзной конференции "Пути йспользова-1я вторичных ресурсов для производства строительных материалов и

изделий,- Чимкент.- 1986.- т.1.- С. 200-201.

28. Матвиенко В, Д., Губарь В.Н. Электрохимический способ защиты строительных конструкций от коррозии / Тезисы докладов Всесолз-ного семинара "Индустриальные технические решения для реконструкции зданий и сооружений промышленных предприятий".- Макеевка: МИСЙ, 1986,- С. 79-80.

29. Матвиенко В.Й., Сычев K.M. Основы поляризационной активации вяжущих систем /Тезисы докладов к семинару "Пути совершенствования экономии топливно-энергетических ресурсов при производстве цемента". М.: 1987,- С. 77-78.

30. Матвиенко В.й,, Губарь В.Н., Косьмина В.Г. Влияние электроповерхностных свойств заполнителей на твердение Вяжущи* веществ / Тезисы докладов к семинару "Пути совершенствования экономии топ-ливно энергетических ресурсов при производстве цементов. К.: 1987. - С. 75-76.

31.• Матвиенко В.А., Губарь В.Н., Черешня О.Ф. Формирование структуры твердения в условиях электрической поляризации / Тезисы докладов республиканской конференции "Ресурсосберегающие технологии, структура и свойства дорожных бетонов,- Харьков: ХАДИ, 1989,-С. 138-139.

32. Матвиенко В.А., Черешня О.Ф, Электрическая.поляризация и структурообразование вяжущих систем / Доклады и Тезисы докладов III Всесоюзной научно-практической конференции "Елакощелочные цементы, .бетоны и конструкции".- Киев: КИСИ, 1989,- т. 1- С. 152-153.

33. Матвиенко В.А,, Губарь В.Н. Электрохимическая поляризация заполнителей - способ изменения свойств бетона / Доклады и тезисы докладов III Всесоюзной научно-практической конференции "Влакрце-лочные цементы, бетоны и конструкции".- Киев: КИСИ, 1989,- т.2- С, 32-33. ' ' .

34. Матвиенко В.А., Васюкевич С,Г, Электрическая поляризация в технологии ячеистого газобетона / Тезисы научно-технического семинара "Развитие производства изделий из ячеистого бетона",- Челябинск: Ротапринт Челяб.. обл. упр. статистики, 1990, - <i, 20-21, .

35. Матвиенко В.й., Сычев М.М. Физико-химические представления о поляризационной активации твердения цементов / Ulli Всесоюзное научно-техническое совещание по химии и технологии цемента.- Н.: Из-во ВХ0 им. Менделеева, 1991.- С. 169-172.

36. Матвиенко В.А. Особенности твердения поляризованных цементных паст /Ulli Всесоюзное научно-техническое совещание по химии

й технологии цемента.- М.: Из-во ВХ0 им. Менделеева, 1991,- С. 173-

37. Матвиенко В.Й., Губарь В.Н., Черешня О.Ф., Васюкевич С.Г. лектростиыулирование гетерофазных взаимодействий в вяжущих систе-ах / 1)111 Всесоюзное научно-техническое совещание по химии и тех-ологии цемента,- М,: Из-во ВХО им. Менделеева, 1391,- С. 316-319.

38. Матвиенко В.Й. Безреагентный способ регулирования физико-имических процессов / Экология промышленного региона. Тезисы док-адов научно-технической конференции,- Донецк: Экотех, 1991,- С. 5-76.

39. Вешневская В.Г., Матвиенко В.Й. К вопросу об электрических ^особах активации твердения вяжущих / Экология промышленного реги-иа,- Тезисы докладов научно-технической конференции,- Донецк; Зко-вх, 1991.- С, 77-79.

40. Матвиенко В.Й,, Губарь В.Н., Лагунов И.А. Активация повер-иостных свойств минеральных дисперсий в электрическом поле / Про-рессивные строительные материалы и изделия на основе использования риродного и техногенного сырья. Тезисы докладов научно-технической знференции,- Санкт-Петербург: Типография Петербургского ин-та инж. .-д. трансп., 1992.- С. 14-16.

41. Васвкевич С.Г., Матвиенко В.А. Формирование структуры га-збетона / Прогрессивные строительные материалы и изделия на основе пользования природного и техногенного сырья. Тезисы докладов на-■шо-технической конференции,- Санкт-Петербург: Типография Петер-jprcKoro ин-та иня. i.-д. трансп., 1992.- С, 19-21.

43. Матвиенко В.А., Вешневская В.Г., Зайченко Н.М. Зффектив-зсть электровоздействия в период формирования структуры бетона / зогрессивные строительные материалы и изделия на основе использо-шш природного и техногенного сырья. Тезисы докладов научно-тех-дческой конференции,- Санкт-Петербург: Типография Петербургского i-та инж. ж.-д. трансп., 1992.- С. 33-37,

44. Матвиенко В.А,, Губарь В.Н., Васвкевич С,Г., Вешневская ,Г,, Зайченко Н.М., Лагунов H.A. Электроактивация в технологии зтона / Тезисы докладов научно-технического семинара "Физико-хи-<ческие и технологические особенности получения малоцементных гроительных материалов и конструкций,- Одесса-Киев: РДНТП, 1992,-,27.

45. Матвиенко В.А., Васвкевич С.Г., Недомолкина И.Н. Способы эвышения прочности газобетона / Тезисы докладов I Международной-жференции "Материалы для строительства",- Днепропетровск: ДИСИ,. 392.- С. 75.

46. Матвиенко В.Д.. Вешневская В.Г., Губарь Ь.Н. Прочность и деформативность мелкозерыстых бетонов, активированных в злектро-импульсном режиме / Тезисы докладов I Международной конференции "Материалы для строительства",- Днепропетровск: ДИСИ, 1992.- С. 64 -65.

47. Матвиенко В.А,, Губарь В.Н., Лагунов И.А, Активация исходных компонентов бетонной смеси / Тезисы докладов Международной конференции "Ресурсосберегающие технологии строительных материалов, изделий и конструкций",- Белгород: БТИСМ, 1993,- С,27-28.

48. Матвиенко В.А., Зайченко Н.М., Вешневская В.Г. Эффективность воздействия на бетонные смеси в нестационарных режимах / Тезисы докладов Международной конференции "Ресурсосберегавщие технологии строительных материалов* йзделий и конструкций".- Белгород: БТИСМ, 1993.- С. 89.

49. Матвиенко В.А. Электрическая активация поверхностных центров компонентов бетонной смеси / Тезисы докладов Международной конференции "Ресурсосберегающие технологии строительных материалов, изделий и конструкций",- Белгород: БТИСМ, 1993,- С. 90-91.

50. Матвиенко В.А. Повышение эффективности бетонов электрическим воздействием / Экология промышленного региона. Тезисы докладов международной научно-технической конференции,- Донецк: Экотех, 1993 - С.70..

51. Матвиенко В.А., Губарь В,Н., Васюкевич С.Г. Регулирование активности заполнителей бетона на основе минеральных дисперсных отходов / Экология промышленного региона. Тезисы докладов международной научно-технической конференции, Донецк: Экотех, 1993.- С. 73-74

52. Матвиенко В^А., Бабушкин В.Я. Роль.электроповерхностных свойств компонентов в формировании структуры бетона / Тезисы докладов II Международной конференции "Материалы для строительства",- . Днепропетровск: ДИСИ, 1993,- С. 116-117,

53. Матвиенко В.А., Зайченко Н.М., Вешневская в.Г. Структура и свойства ббтонов из активированных смесей / Тезисы д». .ладов II Меж-, дународной конференции "Материалы для строительства",- Днепропетровск: ДИСИ, .1993,- С. 112-113.