2142

BUILDING MATERIALS AND PRODUCTS

Таким образом, в результате проведенных исследований оптимизированы состав отверждающей системы для полиэфиракрилатного связующего марки МГФ-9, включающей олигоэфиракрилат, отвердитель ПЦОН-2 и ускоритель твердения ОК-1, и гранулометрический состав кварцевого наполнителя.

Список литературы

1.Берлин, А.А. Полиэфиракрилаты / А.А. Берлин, Т.Я. Кефели, В.Г. Королев. –

М.: Наука, 1967. – 214 с.

2.Бобрышев, А.Н. Физика и синергетика дисперсно-неупорядоченных конденсированных композитных систем / А.Н. Бобрышев, В.Т. Ерофеев, В.Н. Козомазов. –

СПб.: Наука, 2012. – 76 с.

3.Волгин, И.Д. Отверждение малеинатно-акрилатных смол различными инициирующими системами / И.Д. Волгин, В.Н. Денин, Е.Б. Петриленкова // Пластические массы. – 1968. – № 7. – С. 37–38.

4.Эпоксидные полимербетоны, модифицированные нефтяными битумами, каменноугольной и карбамидной смолами и аминопроизводными соединениями / под общ. ред. Ю.А. Соколовой и В.Т. Ерофеева. – М.: Палеотип, 2008. – 244 с.

5.Erofeev, V.T. Polimerbetone fur den Ban und die strasse / V.T. Erofeev, V.S. Bochkin

//Die Strasse. – 6/89. – Berlin. – Р.170–173.

References

1.Berlin, A.A. Polyesteracrilates / A.A. Berlin, T.J. Kefeli, V.G. Korolev. – M.: Science, 1967. – 214 p.

2.Bobryshev, A.N. Physics and synergetics of disperse-disordered condensed composite systems / A.N. Bobryshev, V.T. Erofeev, V.N. Kozomazov. – SPb.: Science, 2012. – 476 p.

3.Volgin, I.D. Hardening of arylate pitches by different initiating systems / I.D. Volgin, V.N. Denin, E.B. Petrilenkova // Plastic masses. – 1968. – № 7. – P. 37–38.

4.Epoxy polymer concrete, modified by oil bitumen, coal and corbamid pitches and aminproduction connections / gen. ed. of Yu.A. Sokolova, V.T. Erofeev. – M: Paleotip, 2008. – 244 p.

5.Erofeev, V.T. Polimerbetone fur den Ban und die strasse / V.T. Erofeev, V.S. Bochkin

//Die Strasse. – 6/89. – Berlin. – Р.170–173.

СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ИЗДЕЛИЯ

УДК 666.971.022.7:534-143

УСКОРЕНИЕ РЕАКЦИИ ТВЕРДЕНИЯ ВЯЖУЩЕГО НИЗКОЧАСТОТНЫМ УЛЬТРАЗВУКОВЫМ ПОЛЕМ

Г.А. Фокин, А.С. Гуськов

Представлены результаты исследования ускорения реакции твердения вяжущего с помощью низкочастотного ультразвукового поля. Экспериментально подтверждено благотворное влияние электролита на повышение прочности цементного камня.

Ключевые слова: реакция твердения, вяжущее, ультразвуковое поле, электролит, цементный камень.

ACCELERATION OF BINDER HARDENING REACTION

BY LOW-FREQUENCE ULTRASONIC FIELD

G.A. Fokin, A.S. Guskov

The results of researching acceleration of binder hardening reaction with the help of lowfrequency ultrasound fields are given. Beneficial effect of electrolyte on cement strength increase is experimentally confirmed.

Keywords: curing reaction, binder, ultrasonic field, electrolyte, cement stone.

Для решения задач, связанных с повышением прочности и долговечности бетона, применяются различные методы. В последнее время активно набирают популярность ультразвуковые методы, которые используют как на стадии формирования структуры материала, так и при обработке воды затворения.

Целью проводимых исследований являлось получение вяжущего повышенной прочности с помощью воздействия на водный раствор цемента низкочастотным ультразвуковым полем, сопровождающегося явлением кавитации.

Как известно, схватывание и твердение бетона является, по существу, совокупностью химических и физико-химических процессов, порождаемых гелиевыми составляющими цемента. Поэтому становится ясным, что любое вещество, воздействующее на какую-либо часть этих сложных реакций, может в целом влиять на ход схватывания и твердения бетона [1]. Очень активными в этом отношении оказываются электролиты, которые могут либо повысить растворимость отдельных составляющих цементного клинкера, либо способствовать образованию большего количества частиц, т.е. влиять на коагуляцию.

Согласно классической теории электролитической диссоциации Аррениуса, электролиты в водных и некоторых неводных растворах существуют в виде независимых друг от друга частиц – ионов, образовавшихся при распаде молекул. Такие частицы присутствуют в растворах независимо от того, наложено или нет на раствор электри-

BUILDING MATERIALS AND PRODUCTS

ческое напряжение. Аррениус ввел представление о частичной диссоциации электролитов в растворах.

Степень диссоциации α представляет собой отношение числа распавшихся на ионы молекул к общему числу молекул электролита в растворе до диссоциации. Величина α увеличивается при возрастании разведения раствора.

Второе положение теории состоит в том, что растворы электролитов подчиняются законам разбавленных растворов. Экспериментальное доказательство справедливости этих утверждений может быть получено, если определяемая различными способами степень диссоциации данного электролита окажется одной и той же.

К группе методов, позволяющих определить степень диссоциации, относятся такие, которые непосредственно используют наличие заряда у продуктов диссоциации, например измерение электропроводности [2].

Для получения данных по определению электропроводности в водном растворе было проведено исследование, которое состояло из трех последовательных измерений электропроводности в дистиллированной воде. Для этого использовалась дистиллированная вода, т.к. она полностью очищена от растворённых в ней минеральных солей, органических и других примесей в соответствии с ГОСТ 6709–72. Первоначально был произведен замер электропроводности в дистиллированной воде. Затем в эту воду был добавлен цемент. После этого воду с частицами цемента обработали низкочастотными ультразвуковыми колебаниями и измерили величину электропроводности. Полученные результаты представлены на рис. 1.

Рис.1. Экспериментальные данные по измерению электропроводности

Из рис.1 следует, что при введении цемента резко возрастает электропроводность (кривая 2), т.е. в растворе появились носители зарядов. При обработке ультразвуком наблюдается увеличение электропроводности (кривая 3), это, очевидно, происходит в результате разрушения флоккул цемента.

Для оценки влияния ультразвуковой кавитации был произведен следующий опыт. Емкость объемом 1 литр заполнялась дистиллированной водой, в нее был добавлен

СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ИЗДЕЛИЯ

портландцемент марки 500 (ГОСТ 10178–85) с последующей обработкой низкочастотными ультразвуковыми колебаниями в течение 5 минут. В полученный раствор опускались два электрода, сделанные из меди и цинка, на расстоянии 1 см друг от друга. Так как в цинке концентрация свободных электронов выше, чем в меди, цинковый электрод обозначается знаком минус, а медный – плюсом. Электроды подключены через осциллограф к компьютерному измерительному блоку L-micro. При погружении электродов в раствор возникает электрический ток, который фиксирует осциллографическая приставка и выдает осциллограмму на экран компьютера (рис.2, кривые 1 и 2 характеризуют изменение тока).

Рис.2. Изменение тока

Под действием низкочастотных ультразвуковых колебаний крупные частицы цемента распадаются на более мелкие [3], что приводит к увеличению частиц способных участвовать в переносе тока (кривая 2). Сравнивая кривые 1 и 2, мы видим, что напряжение сначала растет, а затем падает. Такое поведение объясняется тем, что ионам в растворе становится тесно, они начинают мешать друг другу. Противоположно заряженные ионы притягиваются друг к другу, а одноименно заряженные – отталкиваются. Вот поэтому ионы в растворе располагаются таким образом, чтобы как можно меньше мешать друг другу.

Влияние электролитов на скорость реакций в растворах проявляется в так называемых первичных солевых эффектах. Первичный солевой эффект сводится к изменению коэффициентов активности реагирующих частиц, в то время как вторичный эффект обусловлен фактическим изменением концентрации ионов в результате добавления в раствор электролита.

В разбавленных водных растворах коэффициент активности определяется формулой, которая при 25 оС имеет вид:

lg k lg k0 1,02za zb J ,

где J – ионная сила раствора; za zb – заряд иона; k0– константа скорости реакции. Отсюда следует, что величина lgk линейно зависит от корня квадратного из ионной

силы раствора. Очевидно, если заряды имеют одинаковые знаки, то увеличение ионной силы будет приводить к ускорению реакции, а при обратных знаках – к ее замедлению [2].

В бесконечно разбавленных водных растворах неэлектролитов коэффициент активности равен единице. По мере увеличения концентрации электролита величины

BUILDING MATERIALS AND PRODUCTS

уменьшаются, проходят через минимум, а затем снова увеличиваются и становятся существенно большими́ единицы в крепких растворах. Наблюдаемая зависимость от концентрации определяется двумя физическими явлениями. Первое особенно сильно проявляется при малых концентрациях и обусловлено электростатическим притяжением между противоположно заряженными ионами. Силы притяжения между ионами преобладают над силами отталкивания, т.е. в растворе устанавливается ближний порядок, при котором каждый ион окружен ионами противоположного знака. Следствием этого является усиление связи с раствором, что находит отражение в уменьшении коэффициента активности. Естественно, что взаимодействие между ионами возрастает при увеличении их зарядов.

При возрастании концентрации все большее влияние на активность электролитов оказывает второе явление, которое обусловлено взаимодействием между ионами и молекулами воды (гидратацией). При этом в относительно концентрированных растворах количество воды становится недостаточным для всех ионов, и начинается постепенная дегидратация, т.е. связь ионов с раствором уменьшается, следовательно, увеличиваются коэффициенты активности.

На этой основе был разработан метод, позволяющий получать материалы повышенной прочности. В емкость с водопроводной водой (ГОСТ 2874–82 «Вода питьевая») добавляется портландцемент марки 500 (ГОСТ 10178–85) с последующей обработкой низкочастотными ультразвуковыми колебаниями в течение 5 минут. Далее на этом растворе замешивается цементное тесто. На рис.3 представлены графики температуры твердения цементного вяжущего, изготовленного по разработанному и обычному методам.

Температура, С

Рис.3. Температура твердения цементного вяжущего

Рис.3 наглядно показывает, что разработанная методика повышает температуру активного процесса твердения цементного вяжущего, ускоряя химические реакции

СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ИЗДЕЛИЯ

гидратации, и, таким образом, благотворно воздействует на рост прочности без какихлибо отрицательных последствий [4]. Для подтверждения этого из цементного вяжущего были изготовлены опытные образцы цементного камня. Результаты испытаний согласно ГОСТ 10180–2011 приведены в таблице.

Результаты испытаний опытных образцов

Из таблицы видно, что прочность цементного камня, изготовленного с использованием разработанного метода, по сравнению с обычным методом увеличилась в 2 раза. Обработка низкочастотным ультразвуковым полем обеспечивает повышение кавитационного эффекта, значительно усиливается эффект диспергации частиц цемента. Повышение прочности материала объясняется тем, что электролит положительно влияет на растворимость отдельных составляющих цементного клинкера. Следовательно, разработанная методика позволяет получать материалы повышенной прочности.

Список литературы

1.Невилль, А.М. Свойства бетона / А.М. Невилль. – М.: Изд-во литературы по строительству, 1972. – 342 с.

2.Жуховицкий, А.А. Физическая химия: учеб. для вузов / А.А. Жуховицкий, Л.А. Шварцман. – 4-е изд., перераб. и доп. – М.: Металлургия, 1987. – 688 с.

3.Фокин, Г.А., Влияние низкочастотных ультразвуковых колебаний малой мощности на дисперсные среды / Г.А. Фокин, О.В. Тетюшева, А.С. Гуськов // Региональная архитектура и строительство. – 2013. – №16. – С. 57–61.

4.Лукьянченко, М.А., Особенности ультразвуковой кавитации в цементсодержащих системах / М.А. Лукьянченко, О.В. Прудко // Актуальные проблемы архитектуры, строительства и энергосбережения: сб. науч. тр. – Симферополь: НАПКС, 2012. – Вып. 4. – С. 349–358.

References

1.Neville, A.M. Properties of concrete / A.M. Neville. – Moscow: Publishing House construction, 1972. – 342 p.

2.Zhukhovitskii, A.A. Physical chemistry: studies. for high schools / A.A. Zhukhovitskii, L.A. Schwartzman. – 4th ed., Rev. and add. – Moscow, Metallurgy, 1987. – 688 p.

3.Fokin, G.A., Influence of low-frequency ultrasonic fluctuations of low power on disperse environments / G.A. Fokin, O.V. Tetyusheva, A.S. Guskov // Regional architecture and engineering. – 2013. – № 16. – P. 57–61.

4. Lukianchenko, M.A., features ultrasonic cavitation in cementitious systems / M.A. Lukianchenko, O.V. Prudkiy // Actual problems of architecture, construction, and energy conservation: Wed. Scientific. Work. – Simferopol: NAPCS, 2012. – Vol. 4. – P. 349–358.

BUILDING STRUCTURES, BUILDINGS AND CONSTRUCTIONS

СТРОИТЕЛЬНЫЕ КОНСТРУКЦИИ, ЗДАНИЯ И СООРУЖЕНИЯ

BUILDING STRUCTURES,

BUILDINGS AND CONSTRUCTIONS

РАБОТА БАЛОК, АРМИРОВАННЫХ КОМПОЗИТНОЙ СТЕКЛОПЛАСТИКОВОЙ АРМАТУРОЙ

В.П. Селяев, А.А. Соловьев, Р.Н. Парамонов, М.Ф. Алимов, И.Н. Шабаев

Приведены результаты экспериментальных исследований прочности бетонных балок, армированных композитной стеклопластиковой арматурой.

Ключевые слова: армобетонные конструкции, композитная стеклопластиковая арматура, экспериментальные исследования.

СТРОИТЕЛЬНЫЕ КОНСТРУКЦИИ, ЗДАНИЯ И СООРУЖЕНИЯ

WORK OF CONCRETE BEAMS REINFORCED BY FIBERGLASS

REINFORCEMENT

V.P. Selyaev, A.A. Solovyev, R.N. Paramonov, M.F. Alimov, I.N. Shabaev

The results of the experimental researche of concrete beams strength reinforced by composite fiberglass reinforcement are described in the article.

Keywords: reinforced concrete structures, composite fiberglass reinforcement, experimental studies.

Многочисленные публикации в мировой научной литературе о применении композитной арматуры подтверждают перспективность этого материала. За последние годы в России заметно увеличился объем производства композитной арматуры, которая применяется в основном в качестве гибких связей в многослойных конструкциях.

Физико-механические свойства композитной арматуры позволяют использовать ее в армобетонных конструкциях в виде отдельных стержней, плоских сеток, объёмных каркасов. Однако ее применение сдерживается, так как недостаточно экспериментальных данных об особенностях совместной работы цементного бетона и композитной арматуры в условиях действия длительных нагрузок различного вида, переменных значений влажности, температуры, pH поровой среды.

Экспериментально исследованы особенности работы композитной арматуры в изгибаемых элементах строительных конструкций; изучены закономерности изменения напряженно-деформированного состояния бетона и композитной арматуры в процессе нагружения, характер деформирования и возможные формы разрушения элементов, армированных композитной стеклопластиковой арматурой, получены данные о прочности, жесткости и трещиностойкости для последующего анализа.

Вкачестве экспериментальных образцов были изготовлены армобетонные балки прямоугольного сечения размерами 140 120 1030 мм из бетона класса В20 по ГОСТ 7473–94 [1], армированные стеклопластиковыми арматурными стержнями производства компании «Армастек» Ø 6 (ТУ 2296-001-60722703–2010) [2]. Композитная стеклопластиковая арматура представляет собой стержни периодического профиля, изготавливаемые методом пултрузии из непрерывного армирующего волокна, в качестве которого применяется стеклянный ровинг, и термореактивного связующего на основе синтетических смол. Для увеличения сцепления с бетоном на основной стержень навит пучок волокна меньшего диаметра.

Испытания бетонных балок, армированных стержнями композитной стеклопластиковой арматуры, производились в соответствии с ГОСТ 8829–94 [3].

По экспериментальным данным определено нормативное сопротивление композитной арматуры при растяжении, которое соответствует условному пределу текучести композитной арматуры, заданному с 95 % вероятностью.

Экспериментально исследовались особенности деформирования и разрушения армобетонных балок путем испытания 2 серий образцов, включавших 2 балки, армированные композитной стеклопластиковой арматурой, и 1 балку, армированную стальными стержнями Ø6 А400 ГОСТ 5781–82* [4]. Диаметр композитной и стальной арматуры, ее расположение принимались одинаковыми. Схема армирования показана

втаблице.

Втаблице принят следующий принцип обозначений: “С” – балки, армированные композитной арматурой; “М” – металлической. В серии С-1 и М-1 испытывались балки с одиночным армированием стержнями диаметром 6 мм в растянутой зоне бетона. Серии С-3 и М-3 представлены балками с двойным армированием стержнями диаметром 6 мм в растянутой и сжатой зонах. Величина защитного слоя бетона – 15 мм, установка арматурных стержней в проектное положение выполнялась при помощи пластмассовых фиксаторов.

Общий вид установки для испытаний приведен на рис. 1. Она состоит из испытываемого образца 1, установленного на подставки. Сосредоточенная нагрузка, созда-

BUILDING STRUCTURES, BUILDINGS AND CONSTRUCTIONS

ваемая с помощью домкрата, передается на балку через металлическую траверсу 2. Под действием нагрузки испытываемая балка упирается в шарнирные опоры 3. Нагружение образцов – ступенчатое – по 5...10 % от предполагаемой разрушающей нагрузки. Контроль величины нагрузки осуществлялся при помощи переносного динамометра 4 ДОСМ-3-50У 5098. Прогиб измерялся тремя прогибомерами часового типа с ценой деления 0,1 мм (5). Ширина раскрытия трещин измерялась оптическим микроскопом МПБ-2 с ценой деления 0,05 мм. На каждой ступени нагрузка выдерживалась 10 минут, во время которых снимались показания приборов, фиксировались трещины, их развитие по высоте и измерялась ширина раскрытия трещин на уровне продольной композитной арматуры.

Результаты испытаний бетонных балок, армированных композитной стеклопластиковой арматурой

СТРОИТЕЛЬНЫЕ КОНСТРУКЦИИ, ЗДАНИЯ И СООРУЖЕНИЯ

Нормативное значение сопротивления растяжению стеклопластиковой арматуры определено согласно проекту СП «Конструкции из бетона с композитной неметаллической арматурой. Правила проектирования» [5]:

где Rсрf ,исп – среднее значение сопротивления растяжению стеклопластиковой арматуры по результатам испытания образцов, Rсрf ,исп 1159,018 МПа ; S – стандартное от-

клонение значений среднего значения сопротивления растяжению стеклопластиковой арматурыпо результатамиспытанияобразцов, S 163,213 МПа; v – коэффициентвариации значений среднего значения сопротивления растяжению стеклопластиковой арматуры порезультатамиспытанияобразцов, v S / Rсрf ,исп 163,213 /1159,018 0,141.

Рис. 1. Схема нагружения опытных балок и расстановки измерительной аппаратуры

Рис. 2. Измерение прогибов и ширины раскрытия трещин с ростом нагрузки (балки С-1 и М-1)