автореферат диссертации по строительству, 05.23.05, диссертация на тему:Бетоны повышенной эффективности с использованием портландцемента, активированного наномодификатором

На правах рукописи

Шурыгина Наталья Александровна

БЕТОНЫ ПОВЫШЕННОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПОРТЛАНДЦЕМЕНТА, АКТИВИРОВАННОГО НАНОМОДИФИКАТОРОМ

05.23.05 - Строительные материалы и изделия

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

д 3 ЙОЙ И®

Улан-Удэ-2009

003483776

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования « Иркутский государственный университет».

Научный руководили:

доктор технических наук, профессор Щербаченко Лия Авенировна

Официальные онпоненгы:

доктор технических наук, профессор Заяханов Михаил Егорович

кандидат технических наук, Убонов Алексей Валерьевич

Ведущая организация:

ГОУ ВПО «Ангарская государственная техническая академия» (г. Ангарск)

Защита состоится « 27 > ноября 2009 г. в 11.30 часов на заседании диссертационного совета ДМ 212.039.01 при Восточно-Сибирском государственном технологическом университете по адресу: 670013, г. Улан-Уда, ул. Ключевская, 40 в, зал Ученого Совета.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Восточно-Сибирского государственного технологического университета.

Автореферат разослан « 26 » октября 2009 г.

Ученый секретарь диссертационного Совета, д.т.н.

Урханова Л.А.

Общая характеристика работы

Актуальность. Специалисты в области строительного материаловедения считают, что бетон на цементном связующем еще многие годы будет оставаться одним из основных материалов в строительстве. Увеличение прочности, плотности, коррозионной стойкости бетонов позволяет продлить срок службы конструкций и уменьшить эксплуатационные расходы. В этом плане перспективными являются технологии, построенные на использовании передовых и экологичных методов активации.

Портландцемент (ПЦ) является одним из наиболее широко используемых дорогостоящих и дефицитных строительных материалов, используемых для получения бетонов. Вопросы экономии портландцемента неразрывно связаны с проблемой более рационального использования этого вяжущего в получении бетонов с заданными свойствами. На первое место выходят проблемы многоуровневого структурообразования, так как их решение создает базу для последующих модификаций структуры цементного камня и бетона. Исходя из этого, выдвигается актуальная задача исследования полиминеральных дисперсных систем для улучшения электрофизических свойств композитов с целью повышения качества бетона.

Бетоны повышенной эффективности могут быть получены путем активации воды затворения, либо самой полиминеральной матрицы - цемента. Изучение процессов взаимодействия различных фаз гетерогенных материалов на основе полиминеральных дисперсных систем с газо-водными включениями представляет научный и практический интерес в связи с возможностью получения информации для прогнозирования структуры композиционных материалов, полученных в процессе гидратации и твердения вяжущих веществ, а также с целью оптимизации технологического процесса. Рассмотрение вопросов адсорбции и влияния внешнего электромагнитного излучения на гетерогенные системы связано с поиском эффективных путей усиления стойкости бетонов в условиях их эксплуатации.

Работа выполнена в рамках федеральной целевой программы «Интеграция науки и высшего образования России на 2002 - 2006 гг.» и аналитической ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы (2006 - 2008 гг.)».

Цель работы. Разработка метода направленного регулирования структуры и свойств бетона с использованием ПЦ, модифицированного ианодис-персной добавкой.

Для достижения поставленной цели решались следующие основные задачи:

1. Изучение влияния дисперсности Г1Ц. являющегося основным компонентом качественного бетона, на электрическую активность поверхности его зерен, подвергнутых механоактивации, и определение зависимости гранулометрического состава этих зерен от их электрофизических свойств.

2. Определение оптимальной концентрации электроактивного модификатора, содержащего наноразмерные частицы, вводимого в ПЦ, для повыше-

ния ее электрической активности, с целью улучшения механических показателей бетона.

3. Исследование электрофизических и механических свойств структурно неоднородного материала - ПЦ, модифицированного активным наполнителем с наноразмерными частицами, при воздействии постоянного электрического поля напряженностью 3 • 105 В/м, лазерного и у - излучения, проанализировать полученные результаты применительно к бетонам.

4. Изучение свойств бетона повышенной эффективности с использованием ПЦ, модифицированного мелкодисперсной электрически активной добавкой (5% от массы образца) и у-облучением.

Научная новизна. Установлено, что повышение качества исследуемых бетонов связано с введением низкоразмерных частиц портландцемента, что приводит к усилению электрических, и как следствие механических связей цементного теста и заполнителей.

Выявлена зависимость между величиной удельной поверхности меха-ноактивированных низкоразмерных частиц ПЦ и их электрической активностью, что позволяет использовать эти частицы в качестве модификаторов (активных наполнителей) для крупноразмерной матрицы исследуемого ПЦ.

Установлено, что механоактивированные частицы ПЦ дисперсностью менее 1,5 мкм благодаря наличию высокой поверхностной активности способны усиливать электромеханические связи в изучаемой системе.

Экспериментально доказано, что введение пятипроцентной добавки электрически активного модификатора п матрицу ПЦ приводит к наиболее эффективному улучшению электромеханических показателей бетона.

Определено, что повышению механической прочности бетона способствует радиационная обработка интегральной дозой бД • Ю9 Дж/м2 модифицированных образцов портландцемента, позволяющая улучшить его электрофизические свойства.

Практическая значимость. Полученные экспериментальные результаты позволили разработать, обосновать и предложить способ эффективного повышения качества модифицированного материала на основе полиминерального вяжущего (портландцемент) за счет оптимального введения активного наномодификатора в систему и обработки радиационными потоками интегральной дозой у-излучения 6,2 ■ 10 Дж/м2.

Предложенный технологический прием позволил:

• увеличить электрическую активность рассматриваемой структурно неоднородной системы (портландцемент) путем дополнительного введения наполнителя (фракцией менее 1,5 мкм), содержащего наноразмерные частицы, с целью получения бетонов повышенной эффективности;

• повысить механическую прочность бетонов, полученных на основе изучаемого вяжущего, за счет увеличения в процессе радиационной обработки значения действительной части диэлектрической проницаемости и эффективного уменьшения потерь тепловой энергии (тангенса угла диэлектрических потерь);

• прогнозировать обменные энергетические изменения в дисперсной гетерогенной системе в процессе модифицирования и радиационного облу-

чения, для получения бетонов с заданными электромеханическими свойствами.

Внедрение результатов исследований: для определения механической прочности материалы затворялись водой при разных соотношениях В/Ц, изготовлялись опытные образцы согласно ГОСТ 310.4-81: «Цементы. Методы определения предела прочности при изгибе и сжатии». Измерения проводились в опытной лаборатории Ангарского цементного завода. Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены на:

• XIV, XV, XVI республиканских научных конференциях аспирантов, магистрантов и студентов по ФКС, Республика Беларусь, г. Гродно, 2006- 2008гг.,

• IV Международной научно-технической конференции «Электрическая изоляция - 2006», г. Санкт-Петербург, 2006 г.,

• X Международной школе-семинаре по люминесценции и лазерной физике, г. Иркутск, 2006 г.,

• Региональная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых по физике, г. Владивосток, 2006 г.,

• II Всероссийская конференция Многомасштабное моделирование процессов и структур в нанотехнологиях, Москва, 2009 г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 17 печатных работ, в том числе три - в журналах, входящих в перечень ведущих рецензируемых научных журналов, утвержденный ВАК РФ.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, выводов и списка использованной литературы. Работа содержит 140 страниц, 25 рисунков, 16 таблиц, список использованной литературы, включающего 166 наименований. На защиту выносятся:

- метод активации гетерогенной системы на основе полиминерального вяжущего материала при изменении ее диэлектрических параметров в низкочастотном диапазоне внешнего электрического поля;

- закономерности структурообразования и твердения модифицированного ПЦ в условиях нормального твердения;

- результаты по оптимизации состава и свойства модифицированного ПЦ и бетона на его основе;

- энерго- и ресурсосберегающая технология получения бетона на основе модифицированного цемента;

- результаты внедрения работы и её технико-экономические показатели.

Основное содержание работы

Введение. Во введении обоснована актуальность выбранной темы, сформулирована цель, поставлены задачи исследования, основные положения, выносимые на защиту, показана научная новизна и практическая значимость полученных результатов, представлены сведения об объеме диссерта-

ции, конференциях и семинарах, на которых были доложены основные результаты работы.

Первая глава посвящена рассмотрению современного представления вопросов гидратации и твердения материалов на основе природных полими-иеральных вяжущих. Проанализированы особенности структурообразования полиминеральио - водной дисперсной системы, влияющие на изменения ее электрофизических свойств. Отражена связь диэлектрических параметров со струят} рой н мо.шкулярно-кинетическими свойствами системы «иолимине-ральная частица - тонкая пленка воды». Показаны практические способы активации цементного порошка, с целью получения качественных характеристик бетона.

Рассмотрены вопросы ресурсосберегающих технологий при производстве цемента и бетона. Показана роль портландцемента в практике современного строительства, как основного вяжущего материала для производства бетона, железобетона и строительных растворов.

Изучены теоретические основы взаимодействия дисперсных систем с переменным электромагнитным полем, которое является важным источником информации их строения. Проявлением такого взаимодействия является низкочастотная диэлектрическая дисперсия, наблюдаемая в полученных экспериментальных исследованиях. Согласно рассмотренной теории Дебая, диэлектрическая проницаемость является величиной, имеющей комплексную составляющую:

е = е'-1е", (1)

где е' действительная часть диэлектрической проницаемости, соответствует относительной диэлектрической проницаемости, а е" характеризует поглощение электрической энергии веществом:

е' = е„+ (2)

1+(т)-

(3)

1+(®г)г

где т - время релаксации, со - частота внешнего электрического поля

Дисперсная система портландцемента, представляет собой гетерогенную систему с капиллярно-пористой структурой, изучение свойств которой имеет не только практический, но и большой научный интерес в бетоноведе-нии. Поэтому оценка методов управления изменения гетерогенных процессов и контроль связующих систем вяжущих материалов являются перспективными и актуальными для получения бетонов заданных свойств.

Вода является одним из главных компонентов в изучаемой дисперсной полиминеральной системе портландцемент М400. В настоящее время картина, вырисовывающаяся в ходе физических и численных исследований, выявляет характерную особенность воды - коллективное поведение (искажение, разрыв и восстановление) водородных связей нерегулярной трехмерной сетки.

Диэлектрическая спектроскопия является основным физическим методом исследования вещества, позволяющим определять меру электрической активности структуры рассматриваемой системы и способным контролиро-

вать процессы структурообразования при твердении вяжущих систем, при превращении в бетон, что позволит повысить качество, а также удешевить цементы и бетоны на их основе.

В данной работе произведены экспериментальные исследования, направленные на получение бетонов повышенной эффективности путем введения в полиминеральную матрицу активного наномодификатора и воздействия электромагнитным излучением на портландцемент М400.

Вторая глава посвящена изложению методики проведения экспериментов методом диэлектрической спектроскопии и обоснованию выбора объекта исследования. Для этого решается задача получения максимальной информации частотных и временных закономерностей изменения значений диэлектрических параметров, с точки зрения исследования электрической активности макроструктуры образцов и одновременного эффективного изучения характера диэлектрических потерь материалов являющихся основой современных композиционных материалов.

В работе для изучения физических свойств образцов портландцемента М400 предложен и использован метод диэлектрической спектроскопии, отражающий электрическую активность системы и позволяющий измерять значения действительной части диэлектрической проницаемости е' исследуемых систем, и тангенса угла диэлектрических потерь tg 5 при различных вариациях условий воздействия.

Для практической реализации данного исследования был разработан измерительный комплекс, состоящий из цифровых измерителей емкости и проводимости Е7-8, Е8-2 и Е7-12, способный измерять диэлектрические параметры в широком интервале частот внешнего электрического поля от 102 до 10 Гц.

Основные характеристики исследуемого ПЦ и наномодификатора следующие: удельная поверхность ПЦ составляет 2500 см2/г, активный наполнитель представляет собой ПЦ измельченный до фракции менее 1,5 мкм, содержание наночастиц в нем соответствует 20 % от общего числа частиц. Измельчение производилось на планетарной мельнице Пульверизетте-5.

В третьей главе для повышения качества бетона на основе портландцемента М400 проведено экспериментальное исследование зависимости значе-е' ния действительной части ди-

электрической проницаемости от величины удельной поверхности влажных образцов (диапазон относительной влажности от 1,6 % до 10 %). Для эксперимента были подобраны пробы одинаковой массы и разного гранулометрического состава. Полученные результаты представлены на рисунке 1, из которых

Рис. 1. Зависимость диэлектрической проницаемости увлаж- Следует, ЧТО ПРИ увеличении ненного портландцемента от удельной поверхности ($) 1 - удСЛЫЮЙ ПОВСрХНОСТИ образцов образец при нормальных температурно-влажностных условиях ф=1,6%)г 2 - 0=2,5%, 3- 0=10%. Частота внешнего электрического поля 1000 Гц

портландцемента М400 до 4400 см2/г. и любом значении величины адсорбции действительная часть диэлектрической проницаемости возрастает в связи с увеличением активных заряженных центров на поверхности механоак-тивированных частиц.

Для определения гранулометрического состава исследуемого портландцемента М400 был проведен анализ размерности его частиц на лазерном анализаторе размеров частиц Микросайзер 201. На графике рисунка 2 представлено процентное содержание частиц у казанного гранулометрического состава в данном изучаемом образце ПЦ. Из графика следует, что присутствующая максимальная фракция частиц ПЦ М400 составляет 150 мкм, низкоразмерная часть зерен портландцемента от 0 до 10 мкм соответствует 30 % от всего числа частиц.

В работе экспериментально исследовано влияние различных преобладающих фракций цементного порошка на его электрическую активность методом диэлектрической спектроскопии. Для этого были отобраны пробы с разным гранулометрическим составом и изучена частотная зависимость исследуемых параметров £ и tg 8 в интервале частот от 102 до 106 Гц. Полученные результаты действительной части диэлектрической проницаемости представлены в таблице 1. Из таблицы 1 следует, что происходит увеличение действительной части диэлектрической проницаемости образцов портландцемента в связи с усилением их электрической активности для более мелкой дисперсности (почти в десять раз) во всем исследуемом интервале частот. Такое увеличение можно объяснить наличием большей концентрации электрически активных центров зерен ПЦ, способных более активно адсорбировать молекулы воды, которые обладают на низких частотах значительной дипольно-ориентационной поляризацией.

Таблица 1.

Частотная зависимость действительной части диэлектрической проницаемости диспергированного портландцемента с преобладающей долей частиц различной крупности при комнатной температуре и величине адсорбции образцов р = 1,6%

Преобладающая тонкость помола образца, мкм

Igl> >80 40-80 20-40 10-20 <10 0-1,5

Значения действительной части диэлектрической проницаемости £'

2,0 3,47 5,00 7,30 8,05 15,5 28,2

2,8 2,71 4,00 6,40 7,23 1136 26,4

3 2,2 3,43 5,75 6,54 9,64 22,8

Рис.2 .Гранулометрический состав портландцемента М400 (весовые доли частиц Р,% от их размера с!)

3,5 1,81 2,89 4,99 5,67 7,66 22,3

4,0 1,7 2,76 4,63 5,39 7,23 22,2

6,0 1,67 2,67 4,59 5,28 7,2 22,0

В связи с этим для создания механически и электрически прочного материала в образцы ПЦ в качестве добавки вводили мелкодисперсную фракцию ПЦ содержащую наноразмерные частицы, обладающую большей электрической активностью. Выделенные образцы ультратонкого портландцемента характеризуются несколько большими диэлектрическими потерями, чем более крупная фракция, что незначительно снижает его качество.

Далее в работе исследовались образцы портландцемента М400 с добавками мелкоразмерных частиц £ (0-1,5 мкм) в процентном со-

держании от 1% до 10 %. Ре-1 зультаты данных измерений % ж * * 7 показывают (рис.3), что максимальное значение диэлектрической проницаемости на всех исследуемых частотах в интервале от Ю2 Гц до Ю5 Гц наблюдается при добавке 5 %. Все дальнейшие измерения, выполненные в данной работе, осуществлялись с образцами портландцемента М 400, гранулометрический состав которых содержит дополнительные 5 % от массы образца частиц крупностью помола до 1,5 мкм.

Результаты измерений свидетельствуют о том, что наиболее активной изучаемая система становится при пятипроцентном добавлении модификатора из низкоразмерных частиц в матрицу ПЦ. При этом диэлектрическая проницаемость достигает максимального значения и остается неизменной при увеличении концентрации модификатора. В результате чего происходит наиболее сильное взаимодействие между частицами ПЦ, что приводит к усилению электрических связей.

В четвертой главе представлены исследования макроструктурного параметра с' образцов портландцемента с введенным активным наполнителем при воздействии постоянного электрического поля, лазерного и у-излучения. Эксперименты проводились с целью определения эффективного влияния указанных внешних воздействий на качество полиминеральных вяжущих материалов и, как следствие, бетона.

а) Полученные экспериментальные результаты представлены на графиках рисунка 3, где показана временная зависимость действительной части

1234 56789 10% Рис. 3 Действительная часть диэлектрической проницаемости порошка портландцемента М400 в зависимости от процентного количества мелкодисперсной добавки 1-на частоте внешнего электрического поля 100 Гц, 2-на частоте 200 Гц, 3-500 Гц, 41000 Гц.

диэлектрической проницаемости с' образцов ПЦ под действием постоянного электрического поля напряженностью Е = 3-Ю5 В/м. В эксперименте исследовались модифицированные образцы портландцемента М400 равной массы с разной величиной адсорбции. Одна партия образцов высушивалась до постоянства массы ф = О %) £'=7,5 единиц и выдерживались 40 минут при комнатной температуре, а затем подвергалась воздействию постоянного электрического поля напряженностью З'Ю5 В/м в течение 50 минут. Экспериментально установлено, что значение действительной части диэлектрической проницаемости оставалось неизменным на протяжении 90 минут и равным 7,5 относительных единиц (график 1, рис. 4). Экспериментальные исследования действия постоянного электрического поля на образцы портландцемента М400 позволяют сделать вывод о том, что такое поле не способно изменять электрическую активность макроструктур-ного параметра портландцемента при ее относительной влажности Р = 0 % в связи с отсутствием в изучаемых системах водной компоненты.

Образцы второй партии, находились при температуре Т = 293К и относительной влажности р = 2,5 % в течении 40 минут. Затем они помещались в постоянное электрическое поле напряженностью Е = 3-105 В/м на 50 минут. За это время значение е' плавно уменьшилось под действием поля с 17 до 10 относительных единиц. Третью партию образцов вначале предварительно увлажнили 30 минут в эксикаторе до зиачения величины адсорбции р = 4,6 % (г'=27 ед.), а затем поместили в постоянное электрическое поле той же напряженности. В течение одной минуты, находясь под действием электрического поля значение £ резко уменьшилось до 19 единиц и далее в течении 40 минут плавно снижалось до 17 относительных единиц.

По результатам проведенных экспериментов сделан вывод о неэффективности использования воздействия постоянного электрического поля на полиминеральную дисперсную систему, в качестве улучшения ее электромеханических свойств, т. к. значение действительной части диэлектрической проницаемости уменьшается по сравнению с исходными образцами модифицированного портландцемента при помещении изучаемых систем в постоянное электрическое поле.

29 -

26 " / 8 = 4,6%

23 - Е = 0 / Е = 310' В/м

20 - /

В =2^/

В=0% ----Р = 2,5% ' .'

10 30 50 70

Рис. 4. Временная диаграмма изменения значения действительной части диэлектрической проницаемости е' образца портландцемента с дополнительным массовым содержанием частиц крупностью 0-1,5 мкм - 5% при Т = 293 К: 1 -0 = 0%, 2-0 = 2,5%, 3- 4,6%, при последующем помещении образцов в постоянное электрическое поле с= 310? В/м.

Рис. 5. Частотная зависимость действительной части £'диэлектрической проницаемости диспергированного порошка портландцемента после лазерного облучения при Т = 293 К: I - интегральная доза 4.51СР Дж/м2; 2 - ЗН? Дж/м2; 3 - 71С? Дж/м2; 4-3-10"'Дж/м2; , -5,5-Ю'0 Дж/м2

б) Далее в работе, изучались частотные зависимости значений действительной части диэлектрической проницаемости в' и тангенса угла диэлектрических потерь tg 8 образцов портландцемента М400 с введенным активным наполнителем находящихся при величине адсорбции р = 2,5 %, Т = 293К от интегральной дозы лазерного облучения. Исследуемые образцы подвергались воздействию лазерного излучения в интервале интегральных доз от 4,5-108 Дж/м2 до

5,5-1010Дж/мг.

В процессе эксперимента образцы облучались He-Ne лазером ЛГН - 111 (длина волны излучения X = 632,8 нм, мощность излучения 16 мВт) в течение различных промежутков времени от 10 до 60 минут. После каждого облучения исследовалась частотная зависимость параметра е' -действительной части диэлектрической проницаемости и величины тангенса угла диэлектрических потерь (tg

* п

Первоначально исследовались изменения действительной части диэлектрической проницаемости е' от интегральной дозы лазерного облучения в указанных временных интервалах высушенных образцов ПЦ модифицированного активным наполнителем (величина адсорбции (3=0%). Установлено, что значение действительной части диэлектрической проницаемости в не изменяется и остается равным 7,5 относительным единицам. На графиках (1-5) рисунка 5 представлена частотная зависимость действительной части диэлектрической проницаемости s' исследуемых модифицированных образцов портландцемента с вели-

jw

I » 1

2 2,5 3 .3,5 4 4,5 5 5,5

41

Рис.6. Частотная зависимость тангенса угла диэлектрических потерь увлажненного образца портландцемента после лазерного облучения при комнатной температуре: 1 - интегральная доза 4,51(? Дж/м2; 2 -311? Дж/м2; з - 7-К? Дж/м2; 4 -31010 Дж/м2; 5 - 5,5 -Ю'0 Дж/м2

чиной адсорбции $-2,5% после лазерного облучения. На графиках частотной зависимости е для всех значений энергий облучения четко прослеживается максимум на частоте 103 Гц, что показывает на изменение структуры

всей системы, а далее с увеличением частоты отмечается уменьшение действительной части диэлектрической проницаемости на несколько единиц во веем исследуемом интервале частот внешнего электрического поля, что свидетельствует о вырождении дипольно-ориентационной поляризации. Так для иптсфалыюй дозы равной 4,5108 Дж/м2 в интервале частот от 102 до 10б диэлектрическая проницаемость по сравнению с первоначальным значением уменьшается до 7 единиц. При увеличении интегральной дозы система ПЦ с введенным модификатором ведет себя идентично, т.е. активации системы при лазерном облучении не происходит. Таким образом, экспериментально доказано, что при отсутствии водной компоненты в полиминеральной матрице диэлектрический отклик изучаемой системы не изменяется (е'=7,5 ед.), как при воздействии постоянного электрического поля, так и лазерного облучения.

Из частотной зависимости величины тангенса угла диэлектрических потерь ^ 6) графики 1-5 рисунка 6 также следует, что при облучении лазерным излучением наблюдается максимум, так же как и для параметра е' на частоте от 102 до 103 Гц для всех исследуемых образцов, свидетельствующей об увеличении диэлектрических потерь на этих частотах. Из результатов эксперимента следует, что лазерное излучение интегральными дозами от 4,5-108 Дж/м2 до 5,5- Ю10 Дж/м2, так же как и постоянное электрическое поле, не способно улучшить электрофизические и, как следствие, механические свойства исследуемой полиминеральной дисперсной системы.

в) Следующий этап работы состоял в изучении электрофизических свойств модифицированного портландцемента М400 под действием электромагнитного излучения у - диапазона. Диапазон интегральных доз у-излучения составляет: 3,4-Ю8 Дж/м2, 5,5-Ю8 Дж/м2, 5,9-Ю9 Дж/м2, 6,2-109

Дж/м2, 7,0-Ю10 Дж/м2, 9,5-Ю10 Дж/м2. Результаты частотной зависимости действительной части диэлектрической проницаемости представлены графиками рисунка 7.

Изучена экспериментальная зависимость значений действительной части диэлектрической проницаемости высушенных и затем облученных у-излучением интегральными дозами от 3,4-108 до 5,5-Ю10 Дж/м2 исследуемых образцов. Результаты эксперимента показали, что при у-облучении зна

Рис. 7. Частотная зависимость действительной части диэлектрической проницаемости £ (1-6) образца портландцемента с массовым содержание частиц крупностью 0-1,5 мкм - 5% (0=1,2%) после у облучения при Т-294 К: 1 - интегральная дозаЗ,4 Дж/м1; г -5,5-!(? Дж/м2;3 - 5,910? Дж/.^; 4 - 6,2-10? Дж/м2; , ■ 7-10"'Дж/м2; б - 9,510?° Дж/м2

чения действительной части диэлектрической проницаемости не изменялось так же как и при лазерном облучении. Этот факт аналогично связан с отсутствием водных включений, которые в большой степени способны изменять макроструктурный параметр дисперсной системы.

Анализ полученных результатов (графики 1-6 рисунка 6) показал, что в диапазоне интегральных доз у-облучения от 3,4-108 Дж/м2 до 9,5- Ю10 Дж/м2 значение действительной части диэлектрической проницаемости проходит через размытый максимум на частоте 103 Гц, сопровождающийся незначительным увеличением диэлектрической проницаемости (Ае -Зед.), а далее плавно уменьшается.

При увеличении интегральной дозы у-облучения более 6,2-109 Дж/м2 (графики 5, 6, рисунок 7) наблюдается уменьшение значения макроструктур-ного параметра £ в максимуме функции от 25 до 17 относительных единиц. При дозе облучения 6,2-109 Дж/м2 наблюдается увеличение макрострукурного параметра (график 4, рисунок 7) во всем рассматриваемом интервале частот.

Этот факт можно объяснить тем, что доза у-облучения равная 6,2-109 Дж/м2 соответствует энергии поглощения образца, вероятно, близкой значению энергии активации дефектов поверхности полиминеральных частиц при данных условиях, что приводит к увеличению концентрации релаксирующих центров в гетерогешой системе «частица портландцемента - водная пленка».

Начиная с частоты 104 Гц, отмечается монотонное уменьшение значения действительной части диэлектрической проницаемое™ е' в связи с вырождением дипольно-ориентационной поляризации в образцах портландцемента М400 модифицированного активным наполнителем, содержащим на-норазмерные частицы.

Результаты исследований частотных зависимостей действительной части диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь под воздействием поля электромагнитного излучения у-диапазона свидетельствуют об усилении электрических связей в рассматриваемой гетерогенной системе в увлажненном состоянии (р = 2,5%), при дозе облучения близкой значению энергии активации поверхности полиминеральной частицы, что приводит к улучшению электрической и, как следствие, механической прочности бетонов, изготовленных на их основе. Наблюдаемый эффект можно объяснить за счет увеличения концентрации релаксаторов, имеющих радиационно-наведенную природу.

Далее исследовались модифицированные и облученные у-излучением интегральной дозой равной 6,2-109 Дж/м2 образцы ПЦ М400 на механические свойства. Для определения предела прочности при изгибе и при сжатии использовали приборы «Точприбор» 2170П - 6, пресс, систему измерительную СИ - 2 - 500 - ухл 4.2.

В таблице 2 представлены экспериментальные данные диэлектрических параметров и механических характеристик для различных марок портландцемента. Полученные результаты свидетельствуют об эффективном влиянии модификатора содержащего наноразмерные частицы и воздействия

у-излучения интегральной дозой 6,2-109 Дж/м2 на свойства портландцемента, что позволяет значительно улучшить его электрические характеристики с "=14,2 сд., tg 5=2,8 10"3 на частоте внешнего электрического поля 103 Гц. и механические свойства (Ешпй=8,2, ЕС1К1т=77,4), а также удешевить технологию получения материалов на основе данного вяжущего полиминерального сырья.

Модифицированный портландцемент улучшенных механических и электрофизических характеристик использовался при получении бетона. Составными частями бетона являлись портландцемент, песок и щебень, которые отвечают определенной механической прочности.

Таблица 2

Зависимость механических и диэлектрических параметров (при нормальных температурно-влажностных условиях /? = 1,6, Т = 294 К, на частоте внешнего электрического поля 10 3Гц) от марки портландцемента_

Марка Механические параметры Диэлектрические параметры

Предел прочности Я, МПа Действительная часть диэлектрической проницаемости, е' Тангенс угла диэлектрических потерь, tg 8 -Ю3

при изгибе К|ОГ при сжатии Ксжаг

М400 5,4 39,2 3,5 0,7

М500 5,9 49,0 5,0 0,9

М400 с введенным модификатором 7,5 65,2 10,4 2,2

М400 после действия у-излучения ((5=1,6%) 8,2 77,4 14,2 2,8

На рисунке 8 представлена частотная зависимость действительной части диэлектрической проницаемости портландцемента М400, наномодификато-ра и модифицированного портландцемента. Из графиков рисунка 8 наглядно видно, что полиминеральная матрица эффективно активируется наномодификатором это приводит к усилению электрических связей между частицами тор, сооержащии наноразмериые частицы.

Рис. 8. Частотная зависимость действительной части диэлектрической проницаемости: 1 - образец ПЦ М400, 2 - образец ПЦ М400 с введенным активным модификатором, 3 - модифика-

0,4 0,45 0.5 ВАД отношение

Рис.9. Зависимость прочности цементного камня от В/Ц - отношения: 1 - образец ПЦ М400,2 - образец ПЦ М400 с введенным активным модификатором, 3 - обученные у -излучением образцы ПЦ

материала. Далее рассмотрены основные характеристики бетона, полученного с использованием качественных портланд-цементов. На основе исследования физико-механических характеристик модифицированного цементного теста и камня разработаны составы бетонных смесей и бетонов, обеспечивающие повышение следующих характеристик: подвижности бетонных смесей до 1,3 раза, сохраняемости бетонных смесей во времени до 1,8 раза, прочности бетона в 2,5 раза при сокращении расхода цемента на 1015%, водонепроницаемости на 2 ступени при сокращенном расходе цемента.

Результаты измерений представлены на рисунке 9. При В/Ц<0,4 расстояние между зернами цемента в исходном цементном тесте не превышают 100 нм. и, следовательно, гидратация протекает под существенным влиянием сил межчастичного притяжения. При В/Ц > 0,4 расстояние между зернами

цемента становится более 100 нм., в результате чего силы межчастичного притяжения на процесс гидратации практически не влияют. Полученные данные позволяют сделать вывод о том, что В/Ц - отношение является определяющим фактором структурообразования цементного камня.

При полупромышленных испытаниях в бетон марки 100 вместо обычного цемента использовался модифицированный портландцемент, содержащий наноразмерные частицы. Бетон, полученный на модифицированном портландцементе М400 и при обработке у - излучением, получился маркой М250, при исходных параметрах для марки М100. Это свидетельствует о резком увеличении качества полученного бетона: предел прочности на сжатие увеличился и стал равен 250 кг с/см2.

28сут.

Рис. 10. Зависимость прочности на сжатие контрольного (2) и модифицированного (1) образцов бетона в зависимости от времени твердения.

При определении свойств портландцемента, крупного и мелкого заполнителей, цементного теста и камня, бетонных смесей и бетонов были применены стандартные методы испытаний, соответствующие требованиям нормативной документации РФ.

На рисунке 10 представлена зависимость прочности на сжатие контрольного и модифицированного образцов бетона в зависимости от времени твердения. Характер роста прочности активированного бетона близок к логарифмической зависимости. Первоначальный прирост 34% незначительно увеличивается и достигает в 28 суточном возрасте у образцов на активированном вяжущем 38%, что также составляет и величину среднего прироста для контрольных образцов без каких-либо добавок. На 7 сутки активированный образец достигает нормативной прочности контрольного. Это говорит о том, что при применении таких бетонов для ненапрягаемых конструкций, начальная прочность которых строго нормируется, изделие уже может эксплуатироваться.

Показана экономическая целесообразность применения модифицирования и облучения у - излучением в производстве бетонных смесей на основе сравнительного расчета себестоимости конечного продукта. Установлено, что применение модификатора, содержащего наноразмерные частицы, в производстве цементных композитов позволяет снизить себестоимость обычных бетонов до 10

Заключение

В работе проведено комплексное исследование частотных и временных зависимостей значений действительной части диэлектрической проницаемости в' и тангенса угла диэлектрических потерь tg 5 природного полиминерального вяжущего, используемого для получения бетонов с заданными электромеханическими свойствами. Установлено влияние гранулометрического состава образцов ПЦ М400 с введенным модификатором, содержащим наноразмерные частицы, на активность процесса адсорбции молекул воды поверхностью полиминеральных частиц. Определено значение радиационного, лазерного воздействия и постоянного электрического поля на исследуемую дисперсную систему с целью повышения электрической активности процессов межфазного взаимодействия и, как следствие, улучшения качества полученных на их основе бетонов.

Результаты исследований позволяют сделать следующие основные выводы:

1. Предложена методика экспериментальных исследований процессов релаксации поляризации и распределения тепловой энергии в гетерогенной полиминеральной системе портландцемент - водная пленка, позволившая улучшить качество данного вяжущего материала, используемого для получения бетона повышенной эффективности, обладающего высокой электрической и механической прочностью.

2.Экспериментально выяснено, что ультратонкие наноразмерные частицы цементного порошка дисперсностью от 0 до 1,5 мкм характеризуются повышенной электрической активностью за счет их механоактивации (£ =28 о. е.). Пятипроцентная добавка этого модификатора является электрически

активным наполнителем, введенным в матрицу изучаемого портландцемента М 400 и эффективно влияющим на процессы межфазного взаимодействия (^=10,4 о. е.) и, как следствие, приводящим к повышению функциональных связей в бетоне;

3. Впервые показано, что изменение макроструктуры порошка портландцемента модифицированного активным наполнителем содержащим на-норазмерные частицы, под воздействием электромагнитного излучения у-диапазона в интервале интегральных доз от 3,4-108 до 6,2-109 Дж/м2, приводит к увеличению действительной части диэлектрической проницаемости до значения 14,2 относительных единиц, что вызывает усиление электрических связей в рассматриваемой гетерогенной системе, и способствует механической (Rmr= 8,2 МПа, R^ 77,4 МПа) и электрической прочности полученных на его основе бетонов.

4. Полученный активированный ПЦ М400 позволяет создавать высококачественные бетоны с высокой механической прочностью. Полупромышленные испытания, свидетельствуют о высокой эффективности применения таких материалов в производстве бетона.

1. Шурыгина, H.A. Влияние тонких пленок воды на диэлектрические свойства полиминеральной нанодисперсной системы (портландцемент) / H.A. Шурыгина, Я.В. Ежова, О.В. Федулов // Вестник Иркутского Государственного Технического Университета. - 2007. - № 1(29). - С. 30-32. - (из списка ВАК).

2. Шурыгина, H.A. Релаксациошше процессы в гетерогенной дисперсной системе / НА. Шурыгина, Я.В. Ежова // Вестник Иркутского Государственного Технического Университета. - 2007. - № 3(31). - С. 74-76. - (из списка ВАК).

3. Щербаченко, JIA. Исследование релаксационных процессов в портландцементе после действия лазерного излучения / Л.А. Щербаченко, H.A. Шурыгина, С.С. Барышников // Вестник Иркутского Государственного Технического Университета. - 2008. - № 4(36). - С. 58-61. - (из списка ВАК).

4. Ежова, Я.В. Основы технологической стабильности теплоизоляционных свойств слюдосодержащих композитов / Я.В. Ежова, В.А. Карнаков, H.A. Шурыгина // Депонент ВИНИТИ, per. №80-В2007 от 30.01.07.

5. Шурыгина, H.A. Диэлектрическая дисперсия в мелкоразмерных слюдах/ H.A. Шурыгина, С.Д. Марчук, А.Р. Харлан II Депонент ВИНИТИ, per. №82-В2007 от 30.01.07.

6. Шурыгина, H.A. Исследование зависимости диэлектрической проницаемости диспергированных слюд от гранулометрического состава / H.A. Шурыгина, JI.A. Щербаченко, В.А. Карнаков И Труды XIV республиканской научной конференции аспирантов, магистрантов и студентов по ФКС, г. Гродно. - Республика Беларусь. - 2006. - С. 304-307.

7. Яраева, М.Я. Методика исследований релаксационных процессов в мелкодисперсных слюдах / М.Я. Яраева, H.A. Шурыгина, B.C. Борисов // Труды XIV республиканской научной конференции аспирантов, магистрантов и студентов по ФКС, г. Гродно. - Республика Беларусь. - 2006. - С. 449-452.

8. Марчук, С.Д. Релаксационные процессы в электрической изоляции/ С.Д. Марчук, В.А. Карнаков, H.A. Шурыгина // Труды XIV республиканской научной конференции аспирантов, магистрантов и студентов по ФКС, г. Гродно.- Республика Беларусь. - 2006. - С. 380-383.

9. Аграфонов, Ю.В. Диэлектрические свойства диспергированных слюд в условиях радиационного воздействия/ Ю.В. Аграфонов, В.И. Донской, H.A. Шурыгина // Тезисы докладов 10-ой Международной школы-семинара по люминесценции и лазерной физике, г. Иркутск. - 2006. - С. 9-11.

10. Тарабанов, В.Н. Обеспечение устойчивости свойств портландцемента / В.Н. Тарабанов, JI.A. Щербаченко, H.A. Шурыгина И Труды конференции «Проблемы риска в техногенной и социальной сферах». Вьш.б - СПб.:НП «Стратегия будущего», 2007. - С. 143-149.

11. Кузнецов, A.C. Релаксационные процессы в гетерогенной дисперсной системе / A.C. Кузнецов, Я.В. Ежова, H.A. Шурыгина // Тезисы докладов региональной конференции по физике студентов, аспирантов и молодых ученых, г. Владивосток. - 2006. - С. 3941.

12. Шурыгина, H.A. Влияние тонких пленок воды на диэлектрические свойства полиминерального порошка (портландцемент) / H.A. Шурыгина, С.С. Барышников // Тезисы докладов региональной конференции по физике студентов, аспирантов и молодых ученых, г. Владивосток. - 2006. - С.120-121.

13. Шурыгина, H.A. Кинетика сорбционных процессов на поверхности слоистых силикатов / H.A. Шурыгина, С.С. Барышников, С.Д. Марчук // Тезисы докладов региональной конференции по физике студентов, аспирантов и молодых ученых, г. Владивосток. - 2006. - С.61-62.

14. Тарабанов, В.Н. Исследование зависимости диэлектрических свойств ув-лаЖнейяой полиминераяьпой системы (портландцемент) от гранулометрического состава/ В.Н. Тарабанов, H.A. Шурыгина, О.В. Федулов // Труды XV республиканской научной конференции аспирантов, магистрантов и студентов, г. Гродно. - Республика Беларусь. - 2007. - С. 65-69.

15. Тарабанов, В.Н. Влияние лазерного излучения на дисперсную полиминеральную систему / В.Н. Тарабанов, Н.А.Шурыгина, О.Б. Рубцова // Труды XVI республиканской научной конференции аспирантов, магистрантов и студентов по ФКС. г. Гродно. - Республика Беларусь. - 2008. - С. 15-17.

16. Шурыгина, H.A. Влияние постоянного электрического поля на дисперсную полиминеральную систему / H.A. Шурыгина, A.B. Мавданов, А.Р. Харлан // Тезисы докладов XVI республиканской научной конференции аспирантов, магистрантов и студентов по ФКС, г. Гродно. - Республика Беларусь. - 2008. - С. 47-49.

17. Аграфонов Ю.В. Особенности формирования нанокластеров в полярных жидкостях, находящихся на электрически активной подложке / Ю.В. Аграфонов, B.C. Борисов, JI.A. Щербаченко, Я.В. Ежова, H.A. Шурыгина, Д.С. Барышников // Тезисы докладов II Всероссийской конференции Многомасштабное моделирование процессов и структур в нанотехнологиях, Москва. -2009.-С. 63,64.

Подписано в печать 16.10.2009. Бумага офисная белая. Печать RISO. Тираж 100 экз. Заказ № 115277

Отпечатано в ООО «Оперативная типография Вектор» 664025, г.Иркутск, ул. Степана Разина д.6, офис 106, т.: (3952)33-63-26,25-80-09 e-mail: dc@siline.iu