Инновационная технология активирования бетонов и растворов, основанная на электрогидроэффекте | Найденов Ю. А, Веприняк И.А.
Железобетон в современном транспортном строительстве приобрел роль доминирующего строительного материала. Ежегодно в СССР осваивалось 250 млн. м3 бетона и железобетона, производившихся на 6000 предприятий. Хотя современные валовые показатели по Российской Федерации заметно скромнее, в структуре строительных материалов железобетон остается ведущим. Общими остаются и проблемы: неэффективное использование цемента, снижение энергопотребления, ускорение набора прочности, повышение плотности, снижение усадки и ползучести, увеличение морозостойкости.
Потери монолитного бетона, ввиду нерационального использования, по стране составляют 9%, а цемента – до 12,5% от общего годового производства. Из них до 42% приходится на несовершенство технологических процессов на заводах железобетонных изделий. Около 85% сборного железобетона на заводах ЖБИ сегодня производятся с применением тепловлажностной обработки. Однако паропрогрев бетона приводит к ухудшению структуры и свойств бетона, кроме того, сопровождается значительными энергозатратами и выбросами в атмосферу углекислого газа, что ухудшает экологическую обстановку.
Актуально внедрение железобетона в процесс восстановления транспортных объектов, т.к. изменились возможности и условия применения для этих целей традиционных материалов: древесины и стали. В первую очередь сказанное связано с возросшим дефицитом деловой древесины. Растущий (в среднем на 1,6 % в год) объем лесозаготовок, массовое заболевание и гибель хвойный лесов в странах Западной Европы и на территории СНГ приводят к тому, что доля лесных массивов, в которых промышленные заготовки труднодоступны и вообще исключены, в европейской части СНГ составят 20 %, а для стран Западной Европы - 25 % площади насаждений.
Выполненные исследования позволяют заключить, что запасы металлических конструкций обеспечат восстановительные работы только первого этапа. Изготовление стальных конструкций в полевых условиях представляется маловероятным из-за применения сложного технологического оборудования и квалифицированной рабочей силы.
Таким образом, в условиях острого дефицита строительных материалов - древесины и металла, при заблаговременном планировании восстановительных работ целесообразно ориентироваться на такой распространенный материал, как бетон и сборный железобетон.
Внедрение современных электрофизических и химических способов активации бетонной смеси в целях интенсификации набора прочности железобетонными изделиями позволяет сократить сроки их изготовления до 1,5…2 суток и выполнять работы непосредственно на строительной площадке.
По мнению специалистов в области транспортного строительства именно активированные бетоны и создаваемые на их основе конструкции (элементы опор и пролетных строений временных мостов, сваи РИТ, подпорные стенки и армогрунтовые массивы) позволят повысить надежность строящихся и восстанавливаемых (усиливаемых) объектов, существенно сократят трудоемкость и продолжительность выполнения работ.
На развитие национальной технологической базы направлены исследования, проводимые в научно-исследовательской лаборатории «Разрядно-импульсные технологии» филиала Военной академии тыла и транспорта им. генерала армии А.В. Хрулева (далее НИЛ РИТ) под руководством доктора технических наук Веприняка И.А. Достижения творческого коллектива неоднократно отмечались наградами и призами на международных форумах, оценивавших достижения в области высоких технологий.
Результатами исследований стали теория и практика дробления минеральных массивов, восстановления пропускной способности трубопроводов, улучшения (восстановления) физико-механических характеристик строительных материалов (в частности, лежалого цемента), активации растворов и мелкозернистых бетонов, обеспечивающей возможность передачи расчетной нагрузки на конструкцию 1,5…2 суточного возраста, очистки арматуры и защитного слоя бетона от продуктов коррозии. На основе активированных по разрядно-импульсной технологии (РИТ) мелкозернистых бетонов изготавливаются сваи РИТ.
В НИЛ РИТ разработана следующая модель активации компонентов бетонной смеси:
- на первом этапе производится предварительная полиимпульсная обработка высоковольтным электрическим разрядом (ВЭР) водно-цементной суспензии (Ц + В) в специальном активаторе;
- на втором этапе вводятся модифицирующая химическая добавка (ХД) и инертные составляющие;
- на третьем этапе цементно-песчаный раствор (мелкозернистый бетон) подвергается воздействию ВЭР в скважине при формировании сваи РИТ.
Основные активирующие процессы первого этапа: насыщение системы ионами и диспергация цементных зерен. Одним из факторов ВЭР, активно воздействующих на водно-цементную суспензию, являются импульсные электромагнитные поля, вызывающие изменения структуры воды затворения, приводящие к изменению её ионного состава. Поскольку активные центры частиц отделены друг от друга энергетическими барьерами, то для перемещения молекул воды в силовом поле поверхности частиц необходимо внешнее воздействие. Электрогидравлический эффект приводит к разрушению крупных ассоциатов воды, что приводит к расщеплению молекул воды на ионы, ускорению диссоциации и создает благоприятные условия для образования прочных ионно-молекулярных ассоциатов.
Электромагнитное поле воздействует на образованные из растворенных в воде солей ионы, значение диамагнитной восприимчивости у которых больше, чем у молекул воды. Взаимодействие ионов с молекулами воды приводит к тому, что последние приобретают индуцированный магнитный момент. Энергия водородных связей вследствие этого изменяется, связи частично «раскрываются», что приводит к изменению структуры воды.
Получив дополнительный импульс, коллоидные частицы новообразования преодолевают энергетический барьер и образуют коагуляционную структуру, которая увеличивает уровень колебательного движения атомов в решетке и способствует ослаблению в ней ионных связей.
Частицы твердой фазы, имеющие различный минералогический состав, отличаются степенью активности по отношению к воде. В обработанной ВЭР суспензии будут образовываться сольватные оболочки (препятствующие доступу воды к минералам и их растворению) с более тонким двойным электрическим слоем, так как при одинаковом минералогическом составе на частицах меньшего размера образуются более тонкие слои воды, чем на частицах крупного размера. Уменьшением толщины гидратных оболочек вокруг зерен клинкера можно объяснить существенное увеличение степени гидратации за счет растворения части продуктов и выпадение их в межзерновое пространство. Такое явление облегчает проникновение воды к негидратированным цементным зернам.
В заново насыщенном положительно заряженными ионами кальция растворе, последние притягиваются отрицательно заряженной частью диполя воды. Молекулы воды в зоне действия силовых полей твердого тела переориентируются (происходит их структурирование), а зерна цемента в воде адсорбируют ионы Са++, и их поверхность приобретает положительный потенциал. В результате физико-химических преобразований, происходящих в воде под действием ВЭР, адсорбция на поверхности кристаллической решетки клинкера будет происходить без дополнительной диссоциации молекул воды и, следовательно, потерь энергии взаимодействия.
Высоковольтный электрический разряд воздействует на водно-цементную суспензию рядом силовых факторов: ударной волной, волной сжатия, вызываемой пульсацией гидродинамического поля, кавитацией, действие которых направлено на дробление, измельчение цементных зерен. Увеличение удельной поверхности цемента повышает его реакционную способность, создает благоприятные условия для гидратации зерен, что в дальнейшем приводит к нарастанию прочности цементного камня.
Химический ускоритель начинает реагировать с активированной суспензией уже в индукционный период гидратации. Установлено, что наиболее эффективны модификаторы С-3 и РСТ. Введение соли электролита увеличивает диссоциацию воды и поставляет в систему новые ионы. На кинетике набора прочности, после введения электролита, также сказывается высокая температура обработанной ВЭР суспензии (в соответствии с законом Аррениуса).
Уменьшение толщины гидратной оболочки в результате электрогидроэффекта, перевод воды в состояние иононасыщенного раствора и последующее введение электролита, в результате чего ионы хлора увеличивают электрохимическую активность системы возле поверхности твердых частиц, приводят к увеличению количества гидратирующихся цементных зерен. Большее связывание воды, по причине увеличения концентрации гидратов минералов цемента и их более быстрой гидратации в ранние сроки, будет происходить за счет изменения расстояния между гидросиликатами, вследствие перераспределения воды в водоцементной суспензии. Связывание жидкости и перевод ее в кристаллогидратные формы сопровождается увеличением удельного объема твердой фазы и уплотнением цементных гелей, что приводит к заполнению порового пространства и обеспечивает создание уже в ранние сроки гидратации структуры с высокой прочностью.
Обработка ВЭР бетона в скважине при формировании сваи РИТ продлевает индукционный период формирования структуры цементного камня, на протяжении которого сохраняется химическая активность цемента. Коагуляционная структура индукционного периода играет важную роль в процессе структурообразования. Для неё характерно упорядоченное расположение молекул воды, а поскольку толщина граничных слоев на поверхности твердых частиц соизмерима с межчастичным расстоянием в вяжущей дисперсии, то, очевидно, это является одной из причин термодинамической устойчивости коагуляционной структуры. Определённое замедление процесса гидратации цемента и клинкерных минералов объясняется адсорбцией молекул модификатора на поверхности цементных частиц и образованием на них гидрофобной пленки, препятствующей доступу молекул воды к поверхности цемента. Все это способствует более упорядоченному расположению частиц твердой фазы в объеме вяжущей системы, закономерно сказывается на кинетике превращения коагуляционной структуры в коагуляционно-конденсационную, а затем в конденсационно-кристаллизационную. Как представляется, пролонгация существования коллоидной структуры способствует в дальнейшем ускорению процесса формирования пространственного каркаса цементного камня – структурообразованию. На рисунке 1 показан график, отражающий зависимость прочности испытанных образцов от способов активации бетона.
Другим не менее важным последствием комплексной активации бетонов является ингибирующее воздействие РСТ на коррозию стальной арматуры в железобетоне. Такой эффект объясняется тем, что воздействие разрядов на цементное тесто способствует повышению его плотности, тем самым исключая локальные гальванические пары с окислением в точках, играющих роль анодов. Активация суспензии ВЭР увеличивает водородный показатель до 10 … 12 и предупреждает создание условий для развития коррозии, несмотря на присутствие хлористых солей. Дополнительное присутствие в активированной суспензии сахарата, имеющего повышенную растворимость, приводит к осажданию его на поверхности цементных зерен и связыванию свободных хлоридов в гидратные образования, повышая антикоррозийный эффект способа в целом.
Таким образом, теоретические и экспериментальные исследования позволили установить наиболее эффективную методику активации бетонов – по формуле: (Ц + В)•ВЭР + ХД, обеспечивающую 70% прочности в 1,5…2 суточном возрасте. Железобетонные конструкции, изготовленные из активированного бетона, могут кантоваться через 8 часов после изготовления, транспортироваться и монтироваться через 1 сутки, нагружаться расчетной нагрузкой через 1,5…2 суток. Разработанная методика приготовления бетонной смеси допускает использование цемента на одну марку ниже проектной, а экономия цемента может достигать 20%.
Рисунок 1 – График нарастания прочности бетона, подвергнутого комплексной активации
1 – обработанный ВЭР, с последующим введением добавки РСТ;
2 – с добавкой РСТ и последующей обработкой ВЭР;
3 – обработанный ВЭР; 4 - с добавкой РСТ; 5 – контрольный состав.
Авторы:
Найденов Юрий Анатольевич – научный сотрудник научно-исследовательской лаборатории «Разрядно-импульсных технологий» филиала Военной академии материально-технического обеспечения. Кандидат технических наук доцент. Полковник в отставке. Автор более 120 опубликованных работ, 15 изобретений. Родился в 1950 г. В г. Воркуте. В 1972 г. Окончил Днепропетровский институт инженеров железнодорожного транспорта, факультет «Мосты и тоннели». В 1977 г. закончил Военную академию тыла и транспорта, в 1985 г. Ленинградский электротехнический институт. В 1986 г. защитил кандидатскую диссертацию. Руководил кафедрой «Строительства мостов и тоннелей» ВАТТ.
Иван Алексеевич Веприняк - заведующий кафедрой «Общенаучных и общетехнических дисциплин» Военного института (ЖДВ и ВОСО) Военной академии Материально-технического обеспечения, доктор технических наук, профессор, академик ПАНИ, полковник запаса. Автор более 100 опубликованных работ, 50 изобретений. Родился в 1957 году. В 1978 г. окончил Ленинградское высшее военное училища ЖДВ и ВОСО им. М.В. Фрунз. В 1993 закончил Военную академию Тыла и транспорта. В 1996 г. защитил кандидатскую диссертацию. В 2006 защитил докторскую диссертацию. Занимал командные и инженерно-технические должности. С 1990 г. особое внимание уделяет научно-практическому исследованию разрядно-импульсных технологий.