автореферат диссертации по строительству, 05.23.05, диссертация на тему:Активация цементных растворов при воздействии электрического поля

Введение.

Глава 1. Состояние вопроса и направления исследований.

1.1. Современные представления о возможности активации системы цемент - вода".

1.2. Анализ существующих способов активации цементных суспензий

1.3. Физико-химические процессы, происходящие в активированных це -ментных суспензиях.

1.4. Выводы по главе 1.

Глава 2. Методы исследования кинетики гидратации цементов в растворных смесях.

2.1. Систематизация методов оценки степени гидратации цемента.

2.2. Авторские методики и их применение.

2.2.1. Методика приготовления и испытания образцов цементно-песчаного раствора при электрофизической обработке.

2.2.2. Методика обработки растворных смесей электрическими полями.

2.2.3. Методика определения степени гидратации цемента в суспензиях, об -работанных электрическим полем.

2.2.4. Методика определения роста объёма твёрдой фазы.

2.2.5. Методика определения плотности растворной смеси при электровоздействии.

2.3. Характеристики материалов для приготовления растворных смесей и технологические параметры растворных смесей, подлежащих обработке электрическим полем.

Глава 3. Теоретические исследования влияния электрических полей на реологические свойства цементных суспензий и растворных смесей.

3.1. Аналитический обзор процессов, происходящих в растворных смесях

3.2. Влияние внешних электрических полей на кинетику структурообразо-вания цементного камня.

3.2.1. Параметры электрического поля растворной смеси при изменении внешнего поля.

3.2.2. Коагуляция под действием внешних электрических полей.

3.3. Модель развития электростатических сил на границе раздела „цементное зерно - адсорбционный слой".

3.4. Выводы по энерго-временным параметрам электрических полей при обработке растворных смесей.

Глава 4. Экспериментальные исследования.

4.1. Задачи экспериментальных исследований растворных смесей при электрофизическом воздействии.

4.2. Физико-математическая модель разрушения цементного зерна при воздействии электрического поля.

4.2.1. Модельные представления активации цемента под воздействием электрического поля.

4.2.2. Экспериментально-теоретический расчёт удельной поверхности цементного зерна после обработки электрическим полем.

4.3. Особенности экспериментальной методики выбора оптимальных параметров электрофизической обработки растворных смесей.ИЗ

4.4. Планирование многофакторного эксперимента по влиянию электрообработки на свойства раствора.

4.5. Выбор оптимальных факторов, влияющих на прочностные характеристики растворных смесей, обработанных электрическим полем.

4.6. Анализ теоретических предпосылок и экспериментальных исследований

Одной из важнейших задач перед капитальным строительством является кардинальное повышение эффективности строительного производства за счёт разработки и внедрения новых прогрессивных технологий, экономии материалов, уменьшения материалоёмкости конструкций. В современных условиях бетон и железобетон заняли передовые позиции в общей мировой структуре производства строительных материалов и конструкций, заслуженно получив общемировое признание как «материал XX века»

Обладая уникальными технико-экономическими и технологическими свойствами, бетон и железобетон сыграли революционную роль в коренном совершенствовании технологии и организации промышленного и гражданского строительства, в развитии новых направлений архитектурно-строительных решений, обеспечивающих создание современных условий среды обитания человека на Земле.

Научные исследования отечественных и зарубежных учёных последних десятилетий ушедшего века показали огромные потенциальные возможности достижения высокого уровня свойств бетона и железобетона путём введения в состав бетона химических добавок-модификаторов и наполнителей.

Динамика производства бетона и железобетона в технически развитых странах, включая и Россию, показывает, что данные строительные материалы останутся приоритетными и в XXI веке.

Прогресс в области строительства в значительной мере определяется свойствами и количеством производимых вяжущих.

В последнее время отмечается значительное развитие исследований в области активации цементного вяжущего. Целью исследования учёных является получение ответов на вопросы:

- как твердеет цемент и почему (разработка теории гидратации);

- какие новообразования возникают, их состав, морфология и связь с характеристиками цементного камня;

- какие факторы влияют на гидратационную активность и темпы твердения цемента, разработка способов их повышающих;

- как снизить энергозатраты и вовлечь в производство цемента техногенные продукты из других отраслей, что связано с экологическими проблемами, приобретающими все возрастающее значение.

Отличительной особенностью исследований последних десятилетий является одновременное применение комплекса различных новых методов физико-химического анализа, начиная с момента затворения цемента водой до зрелого цементного камня (при соотношениях цемента и воды близким к В/Ц бетона). Такой подход позволил получить комплексную информацию о процессах происходящих при твердении вяжущих. Однако, результаты этих исследований подчас довольно разноречивы.

При исследованиях по активации обычно главной задачей является повышение механической прочности затвердевшего цементного камня и раствора. интенсификация их твердения или сокращение расхода цемента без снижения заданной прочности материала. Иногда активацию применяют, когда необходимо улучшить физические свойства и качество растворов.

Актуальность темы. Существует множество способов активации вяжущих (глава 1). Все эти способы имеют свои положительные стороны, но в тоже время и существенные недостатки. На фоне этих способов активации автором предлагается рассмотреть способ обработки строительных растворов, на основе цемента, при воздействии электрического поля, который на определенном этапе структурообразования позволяет регулировать процессы гидратации, тем самым улучшаются физико-механические, технологические свойства растворов.

Целью настоящей работы является исследование механизма воздействия электрического поля на систему "цемент-вода" и обоснование параметров электроактивации растворных смесей.

В соответствии с целью диссертационной работы определены следующие её задачи:

• Теоретически исследовать влияние внешних электрических полей (постоянного, переменного, импульсного) на структуру и свойства цементных зёрен.

• Создать физико-математическую модель механизма изменения цементного зерна под воздействием электрического поля.

• Разработать способы обработки цементных растворов электрическим полем и изучить его влияние на кинетику гидратации цемента.

• Оптимизировать составы цементных растворов, а также изучить их структурно-реологические свойства и оценить качество активированных цементных растворов.

• Произвести опытно - промышленную проверку результатов исследований и рассчитать технико-экономическую эффективность электрофизической активации цементных растворов.

Научная новизна работы.

• Внесен вклад в развитие теоретических представлений об электрофизических способах активации цемента, основанных на разрушении цементных зёрен, увеличении их удельной поверхности и адсорбционно-связанной воды под действием электрического поля.

• Впервые разработан алгоритм расчёта напряжённости электрического поля и силы, действуюш;ей на адсорбционный слой двойного электрического слоя (ДЭС) цементного зерна.

• На основе физико-математической модели развиты представления о разрушении цементного зерна при воздействии электрического поля.

• Определены эффективные энерго-временные параметры воздействия электрических полей на растворные смеси в зависимости от марки цемента, состава смеси и периода обработки.

• Предложены технологии обработки растворных смесей электрическими полями в стационарных условиях и на строительных площадках.

Практическая значимость работы определяется возможностями решения прикладных задач управления процессами раннего формирования структуры цементного камня без существенных затрат и сложного специального оборудования.

Результаты исследований послужили основой для разработки рекомендаций по режимам обработки электрическими полями растворных смесей на объектах строительства.

Инженерные методики применения предлагаемого способа позволяют увеличить прочность на 30% или уменьшить расход цемента на 15%) и могут быть распространены на различные бетонные смеси и другие цементные композиции.

На защиту выносятся

• Результаты теоретических и экспериментальных исследований по обработке растворных смесей электрическим полем.

• Физико-математическая модель разрушения цементного зерна при воздействии электрического поля на ранней стадии формирования структуры цементного камня.

• Программа расчёта влияния электрических полей на растворные смеси.

• Оптимальные режимы обработки растворных смесей электрическим полем.

• Результаты производственной апробации, экономической и технической целесообразности изготовления растворных смесей, обработанных электрическим полем.

Апробация работы

Основные результаты диссертационной работы докладывались на Международной конференции „Качество, безопасность, энерго - и ресурсосбережение в промышленности строительных материалов и строительстве на пороге 21 века" (Белгород 2000). Обсуждались и были одобрены на научно-технических конференциях ВИТУ (Санкт-Петербург 2000-2001), ТфВИТУ (г. Тольятти 1999-2002). Опубликовано 10 печатных работ.

Разработанный метод и предлагаемая установка по обработке растворных смесей электрическим полем прошли производственную проверку и внедрены в ОАО "Союзнеруд" (г. Тольятти).

Результаты теоретических и экспериментальных исследований использованы в учебном процессе Военного Инженерного Технического Университета (филиал г. Тольятти) и могут быть использованы в других ВУЗах.

10

Структура и объём диссертации

Диссертационная работа изложена на 213 страницах машинописного текста, содержит 26 таблиц и 57 рисунков, включает введение, пять глав, список литературы из 137 источников, приложения. Работа выполнена в Самарской государственной архитектурно-строительной академии на кафедре «Строительные материалы».

Выводы по главе 5.

1. Даны рекомендации по режимам обработки растворных смесей с учетом конкретных технологий ведения работ.

2. Обоснована возможность широкого использования серийно выпускаемой установки АИИ-70 для обработки растворных смесей.

3. На примере Тольяттинского ЖБИК показана экономическая эффективность предлагаемого метода.

Заключение.

Проведенные в диссертационной работе исследования позволили создать теоретические и практические основы решения актуальной проблемы - эффективного использования нереагентных способов активации растворных смесей посредством воздействия электрического поля.

Основное внимание было уделено теоретическому и экспериментальному исследованию вопросов гидратации цементов в растворной смеси под воздействием внешних электрических полей, опирающемуся на теорию электрического поля. Особенностью такого подхода является то, что гидратация идет за счет взаимодействия собственного поля растворной смеси и внешнего электромагнитного поля земли.

Поэтому в диссертационной работе предложен новый подход в оценке степени гидратации цемента в растворной смеси под воздействием внешнего электрического поля.

Выполненные по предложенной методике расчеты позволили качественно оценить гидратацию цемента и выявить наиболее эффективные уровни напряженности внешнего поля, длительность обработки, вид прикладываемого напряжения, состав смеси, подлежащей обработке.

Основным результатом проведенных расчетов явилась разработка конкретных рекомендаций по режимам полевой обработки на объектах гражданского строительства.

Проведенные теоретические и экспериментальные исследования предложенного способа обработки растворной смеси показали, что такой способ с использованием серийной установки АИИ-70М обладает высокими технико-экономическими характеристиками.

Для подтверждения основных теоретических положений диссертантом проведены экспериментальные исследования полевой обработки растворной смеси с целью повышения прочностных характеристик раствора, улучшения технологических характеристик растворной смеси.

Результаты экспериментов подтверждают соответствие разработанной физико-математической модели разрушения цементного зерна реальным процессам гидратации цемента.

Теоретические и экспериментальные исследования, кроме того, позволили сделать ряд выводов по основным направлениям дальнейших исследований.

Высокая технологичность нового способа и низкая себестоимость растворной смеси при одновременном повышении его качества привлекают всеобщее внимание соответствующих строительных организаций. Низкие энергозатраты при дефиците электрических мощностей и улучшенные свойства смесей при различных технологиях электрофизических методов активации будут способствовать более широкому использованию способа.

Дальнейшее исследование и обобщение передовых методов производства работ дадут дополнительные резервы по увеличению прочности растворной смеси и снижению её себестоимости. Совмещение полевой обработки смеси с электроразогревом, методами обогрева позволит применить предлагаемый способ для всех видов конструкций.

1. Абалакин В. А. Метод обработки электроразогретых бетонных смесей электрическим полем при изготовлении железобетона на предприятиях КСМО: Дис. на соискание ученой степени к.т.н-Санкт-Петербург, 1994. -2 8 9с.

2. Абалакин В. А., Перевезенцев М.М. и д.р. Установка для электрообработки бетонных смесей. // Военно-строительный бюллетень, 1991.-29с.

3. Аппарат типа АИИ70М, паспорт 2ДЕ. 169.039ПС, Министерство средств автоматизации и систем управления СССР, 1977. 30с.

4. Арбеньев A.C. Устройства для электроразогрева бетонных смесей // Механизация строительства. 1992. №3.

5. Асатурин В.И. Теория планирования эксперимента. М.: Радио и связь, 1983.-248 с.

6. Атмарин И.П., Васильев Н.Н, Амбросов В.А. Быстрые методы статистической обработки и планирование экспериментов. Ленинград, 1975.

7. Афанасьев Н.Ф. Электроразогрев . бетонных смесей. К. "Буд1вельник",1979. 104 с.

8. Ахвердов И.Н. Основы физики бетона. М.: Стройиздат, 1981. 464 с.

9. Ахвердов И.Н. Теоретические основы бетоноведения. Минск: Вы-шэйшая школа, 1991 187 с.

10. Ахвердов И.Н., Маргулис Л.Н. Неразрушающий контроль качества бетона по электропроводности. Минск: Наука и техника, 1975. 176 с.

11. Ахвердов И.Н., Шалимо М.А., Довнар Н.И. О влиянии хлористого кальция на формирование структуры цементного камня и бетона. -Докл. АН БССР, 1975, т. 19, №7.12