2314

6.5. Ускорение реакции твердения вяжущего низкочастотным ультразвуковым полем

Как известно схватывание и твердение бетона является по существу совокупностью химических и физико-химических процессов, порождаемых гелиевыми составляющими цемента, становится ясным, что любое вещество, влияющее на какую-либо часть этих сложных реакций, может в целом влиять на ход схватывания и твердения бетона [148]. 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 существуют в растворах независимо от того, наложено или нет на раствор электрическое напряжение. Аррениус ввел представление о частичной диссоциации элекролитов 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, измерения электропроводности [63].

Для получения данных 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 очищенная 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. 6.14.

121

В бесконечно разбавленных водных растворах неэлектролитов коэффициент активности равен единице. По мере увеличения концентрации электролита величины уменьшаются, проходят через минимум, а затем снова увеличиваются и становятся существенно большими единицы в крепких растворах. Такой ход зависимости 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 содержащей водопроводную воду (ГОСТ 2874-82 «Вода питьевая») добавляется портландцемента марки 500 ГОСТ 10178-85, с последующей обработкой низкочастотными ультразвуковыми колебаниями в течении 5 минут. Далее на этом растворе замешивается цементное тесто. На рис.6.16 представлен график температуры твердения цементного вяжущего изготовленного по разработанному и обычному методу.

Рис.6.16 наглядно показывает, что разработанная методика повышает температуру активного процесса твердения цементного вяжущего, ускоряя химические реакции гидратации и таким образом благотворно воздействует на ростпрочностибезкаких-либоотрицательныхпоследствий[127].

Для подтверждения этого, из цементного вяжущего были изготовлены опытные образцы цементного камня. Результаты испытаний согласно ГОСТ 10180-2011 приведены в табл. 6.3.

Из таблицы 6.3 видно, что прочность цементного камня 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 благоприятно влияет преимущественно на растворимость отдельных составляющих цементного клинкера.

124

6.6. Изменение морозостойкости цементно-песчаных образцов изготовленных с применением воды в метастабильно состоянии

Морозостойкость является одним из важных свойств материала, насыщенного водой, выдерживать многократное попеременное замораживание

иоттаивание без значительных признаков разрушения и снижения прочности. От морозостойкости в основном зависит долговечность материалов, применяемых в наружных зонах конструкций различных зданий и сооружений. Разрушение материала при таких циклических воздействиях связано с появлением в нем напряжений, вызванных как односторонним давлением растущих кристаллов льда в порах материала, так и всесторонним гидростатическим давлением воды, вызванным увеличением объема при образовании льда примерно на 9 %. У многих пористых материалов вода не может заполнить весь объем доступных пор, поэтому образующийся при замерзании воды лед имеет свободное пространство для расширения. При насыщении пористого материала в воде в основном заполняются водой макрокапилляры, микрокапилляры при этом заполняются водой частично и служат резервными порами, куда отжимается вода в процессе замораживания.

При работе пористого материала в атмосферных условиях (наземные конструкции) водой заполняются в основном микрокапилляры за счет сорбции водяных паров из окружающего воздуха; крупные же поры и макрокапилляры являются резервными. Следовательно, морозостойкость пористых материалов определяется величиной и характером пористости, и условиями эксплуатации изготовленных из них конструкций.

Для оценки пористости структуры растворных образцов изучалась кинетика водопоглощения образцов состава 1:7:0,9 (Вольский ПЦ400-Д20), затворенных водопроводной водой и водой, обработанной ультразвуковыми колебаниями (рис 6.17). Наблюдалось уменьшение показателя среднего размера открытых капиллярных пор с λ = 10,23 для контрольных образцов до λ = 4,2 для образцов на метастабильной воде. Показатель однородности размеров открытых капиллярных пор увеличился от α = 0,3 до α = 0,95 для образцов на воде в МС. Полученные данные свидетельствует о более оптимальной структуре растворных образцов, приготовленных с использованием воды в МС [86].

Представленные выше результаты исследований пределов прочности при сжатии и изгибе, отмеченное уменьшение общей пористости материала на основе воды, обработанной ультразвуковыми колебаниями, способствуют повышению морозостойкости материала.

Для исследования влияния воды в метастабильном состоянии на морозостойкость растворных образцов, были приготовлены 2 состава Ц:П = 1:3, В/Ц = 0,7 (Вольский ПЦ400-Д20) при использовании водопроводной воды

иводы в МС.

126

6.7. Оценка эксплуатационной стойкости цементного камня на основе воды в метастабильном состоянии методом акустической эмиссии

Эффективность мер, направленных на оптимизацию технологии, определяется свойствами получаемых изделий. Перечень свойств, имеющих существенное значение для данного материала, зависит от условий работы. Несущая способность конструкции в первую очередь обусловлена её механической прочностью. Отсюда не случаен факт выбора механических характеристик в качестве оценочных критериев. Однако результаты механических испытаний позволяют лишь приближенно оценивать эксплуатационные свойства различных строительных материалов в условиях чередующихся смен замораживания – оттаивания, намокания – высушивания и т.д. Практика показала, что изделия различных заводов, характеризующиеся одной и той же маркой, в одинаковых сооружениях и в равных условиях эксплуатации обладают различной долговечностью. Более того, в ряде случаев, высокопрочные железобетонные изделия оказываются менее долговечными, чем низкомарочные. Основной причиной подобного несоответствия является характер возникновения и развития микротрещин, которые возникают при передаче на конструктивные элементы рабочих нагрузок. Постепенное увеличение их числа и линейных размеров вызывает снижение эксплуатационных характеристик, а в ряде случаев и разрушение материала конструкции. Локальные микроразрушения появляются уже при небольших нагрузках; в зоне рабочих нагрузок их количество может достигнуть больших значений [41, 133, 230].

Важнейшей задачей современного контроля производства и эксплуатации изделий является определение кинетики образования микротрещин

иразработка таких составов, режимов производства и условий применения, при которых микротрещинообразование было бы минимальным.

Метод АЭ позволяет установить связь между интенсивностью деструктивных процессов и изменением динамических характеристик, происходящих в результате разрушения структуры. Эта зависимость положена в основу оценки эксплуатационной возможности строительных конструкций

иизделий, которая в решающей степени определяется числом микротрещин, открывающихся в материале в зоне рабочих нагрузок уже в начальной стадии эксплуатации. Количество микротрещин зависит не только от марки изделия, но и от равнопрочности связей в нем. В высококачественных изделиях прочность отдельных связей максимальна, число дислокаций мало. Материал характеризуется повышенной сопротивляемостью внешним агрессивным воздействиям и долговечностью.

Вматериалах с неравнопрочными связями, согласно статистической теории прочности, уже при начальных нагрузках независимо от конечной прочности материалов открывается определенное, довольно значительное

128

число микротрещин, происходит их объединение в более крупные микротрещины. Эксплуатационная стойкость таких конструкций невелика.

При исследовании свойств строительных материалов довольно часто возникает необходимость изучения состояния структуры на различных этапах ее формирования [257]. Такое изучение дает возможность делать выводы о свойствах получаемых изделий. Представляется возможность делать достоверный прогноз о будущем поведении материала в сооружениях и конструкциях в условиях различных внешних воздействий.

Для исследования кинетики разрушения при нагрузке были изготовлены образцы-кубы цементного камня размером 5×5×5 см. Для приготовления цементного теста нормальной густоты использовался Мордовский ПЦ400-Д20, в качестве воды затворения – вода водопроводная и вода, обработанная ультразвуковыми колебаниями в течение 3-х часов при В/Ц = 28,4 %. Через 7 сут. нормального твердения образцы цементного камня доводились до разрушения. В процессе нагружения регистрировалась средняя энергия акустической эмиссии.

В зависимости от прочности и однородности материала наблюдается ряд подъемов и спадов (рис. 6.20-6.21). Такая закономерность объясняется следующим образом. В цементном камне, как и в других хрупких материалах, имеется пористость, которая формирует объемное распределение дефектов. Приложенная извне нагрузка вызывает возникновение микротрещин, являющихся источниками акустических волн.

Как видно из рис. 6.20-6.21 образцы цементного камня не одинаково ведут себя под нагрузкой. Разрушение образцов цементного камня на основе водопроводной воды начинается практически сразу после приложения внешней нагрузки. Нарастание сигналов акустической эмиссии (рис. 4.20) свидетельствует о более дефектной структуре цементного камня по сравнению со структурой цементного камня, приготовленного с использованием волы в МС (рис. 6.21). Из рис 6.21 видно, что у образцов цементного камня имеется определенный запас прочности. Наиболее интенсивные сигналы АЭ наблюдаются лишь при приложении нагрузки в 0,6 σ/R, в отличие от образцов при использовании водопроводной воды, где разрушение начинается при 0,4 σ/R. Образцы на основе воды в МС имеют более оптимальную структуру, что подтверждается пределом прочности при сжатии. Образцы цементного камня в возрасте 7 сут. на основе воды, обработанной ультразвуковыми колебаниями, имели Rсж = 74,7 МПа, а на основе водопроводной воды Rсж = 54,8 МПа.

129