Бетонная смесь на воде затворения, предварительно обработанной электрическим полем

Опыт монолитного строительства показывает, что одной из наиболее ответственных операций, входящих в основной комплекс бетонных работ, является приготовление бетонной смеси, и только из-за низкой однородности показателей качества бетона перерасход цемента составляет 10–15%.

Около 5–8% цемента перерасходуется из-за плохого состояния составляющих компонентов смеси, т.е. для получения необходимых характеристик бетона. С учетом условий стройплощадки завышение расхода цемента приводит к значительному перерасходу материалов и, как следствие, удорожанию строительства.

Общее развитие науки о бетонах позволяет, в известной мере, управлять свойствами этих материалов с позиций ресурсо- и энергосбережения, обеспечения высокого качества готовой продукции, создания высоко автоматизированных технологических линий приготовления бетонной смеси, и поэтому остается одним из актуальных направлений исследований в технологии строительного производства.

Проведенный анализ статистических данных позволяет говорить о том, что в последние годы соотношение между производством сборных (около 55% общего объема) и монолитных конструкций начало изменяться в сторону увеличения доли последних. Объясняется это тем, что в некоторых видах строительства уровень сборности приблизился к предельному значению и дальнейшее его повышение становится экономически и технически нецелесообразным. В то же время технический уровень возведения монолитных конструкций настолько возрос, что не уступает строительству из сборных конструкций, а по ряду показателей даже превосходит его. Следует учитывать и то, что дальнейшее увеличение доли сборных конструкций потребует значительно больших, по сравнению с монолитным строительством, удельных капитальных вложений, т.к. себестоимость 1 м3 таких конструкций в настоящее время в 1,5–2 раза выше монолитных, при этом в последних на 15–20% уменьшается расход арматурной стали. Развитие монолитного строительства требует на 35–40% меньше капитальных вложений, чем развитие предприятий по производству сборных конструкций.

Основными причинами, сдерживающими развитие монолитного строительства, являются следующие: низкая степень индустриализации по сравнению с полносборным строительством, слабая производственная база, невысокий уровень организации строительных работ и технологических процессов возведения монолитных конструкций.

Долгое время понятие «индустриализация строительства» отождествлялось с понятием «сборность», что привело к развитию строительства из сборных железобетонных конструкций и к значительному отставанию в разработке и применении индустриальных методов возведения зданий из монолитного бетона.

Растущий интерес к использованию монолитного бетона и железобетона требует решения важных задач по повышению эффективности монолитного строительства. За последние годы выполнен ряд исследований, в результате которых наметились значительные сдвиги в повышении уровня организации и технологии возведения монолитных зданий и сооружений, в том числе в области совершенствования технологии приготовления бетонной смеси.

Одним из направлений в области совершенствования этой технологии является активация сырьевых компонентов, в частности воды затворения. Имеющийся на сегодня парк бетоносмесительных установок, выпускаемых нашей промышленностью, может быть дополнен узлами, совершенствующими технологический процесс приготовления смеси за счет использования опыта исследований по активации сырьевых компонентов. Существующие методы активации практически не требуют изменения основного технологического процесса приготовления бетонной смеси, однако существенно способствуют улучшению ее физико-механических (прочность, морозостойкость, водонепроницаемость), технологических (удобоукладываемость, перекачиваемость) и эксплуатационных свойств, а также позволяют управлять процессом твердения и снижать расход цемента. Таким образом, при сравнительно небольшом удорожании бетонных смесей существенно повышается эффективность использования бетонов.

Приготовление строительной смеси – важнейший технологический этап в комплексе бетонных работ. В процессе приготовления формируется потенциальный уровень характеристик качества бетона, который не может быть повышен на последующих технологических переделах.

Формирование свойств бетонной смеси начинается с ее приготовления и продолжается при транспортировании, укладке, уплотнении и твердении. Эти операции во многом определяют качество бетона в конструкциях, его эксплуатационные характеристики.

Технология приготовления строительных смесей (цементной, растворной и бетонной) с использованием воды затворения, предварительно обработанной электрическим полем, позволяет уменьшить влияние негативных факторов, повысить эффективность и интенсивность технологического процесса приготовления смесей и получения бетонов и растворов с улучшенными свойствами (повышение качества и прочности, подвижности смеси, морозостойкости, снижения сроков распалубки конструкций и др.).

Использование методов активации компонентов смеси электрическим полем в технологии приготовления бетонной смеси влияет как на процессы коагуляции, структуро- и гидратообразования, так и на возникновение конденсационно-кристаллизационной структуры цементного камня, которая образуется за счет непосредственного химического взаимодействия частиц с образованием жесткой объемной структуры.

Активация компонентов смеси внешними воздействиями, в частности активация воды затворения электрическим полем растворимых электродов, позволяет исключить химические реагенты (добавки) и автоматизировать как процесс активации самой воды затворения, так и весь процесс приготовления бетонной смеси.

Изучение воздействий электрического поля на воду затворения с последующим использованием ее для приготовления вяжущей системы показало, что оно ускоряет сроки схватывания и увеличивает прочность цементного камня. Регулирование таких параметров электрообработки, как напряженность поля, плотность тока, продолжительность обработки, дает возможность управлять твердением и физико-механическими свойствами вяжущих материалов. Основные процессы твердения вяжущего, приготовленного на электрообработанной воде, связаны с электродными (во время обработки воды) и электрокинетическими (во время твердения смеси) процессами. Сама вяжущая система рассматривается как дисперсная, характер которой меняется во времени. Структурообразование системы, связанное с коагуляцией дисперсной фазы, приводит к потере агрегативной устойчивости системы. Свободнодисперсная система переходит в связнодисперсную с конденсационно-кристаллизационной структурой, которая образуется за счет коагуляции частиц и непосредственного химического взаимодействия между ними с образованием жесткой объемной структуры. Такие структуры придают телу прочность и не восстанавливаются после разрушения.

При обработке воды затворения электрическим полем растворимых электродов основным фактором, влияющим на дисперсии в области слабых напряженностей электрического поля, являются электрохимические процессы растворения электродов и образования гидроксида металла.

Введение в раствор гидроксида алюминия или железа, образовавшегося в результате растворения электродов при наложении электрического поля, многовалентного и обладающего перманентным дипольным моментом с повышенным содержанием ионов и , влияет на формирование кристаллогидратной решетки твердого тела.

За счет введения в раствор многовалентных ионов алюминия или железа, обладающих перманентным дипольным моментом, появляется возможность оказывать влияние на период индукции и тем самым способствовать возникновению центров кристаллизации. Кроме этого, скорость растворения минералов вяжущего увеличивается за счет «обновления» растворителя, в котором полимеризующиеся цепочки гидроксида металла находятся в движении и способствуют перераспределению ионов, за счет чего и увеличивают продолжительность процесса растворения вяжущего.

Электрообработка воды затворения может осуществляться на базе действующих бетоносмесительных установок приготовления бетонной смеси без изменения основного технологического процесса путем установки блока электрообработки на пути движения воды в смеситель (рисунок 1).

Необходимым условием обеспечения эффективности процесса электрообработки воды является точное соблюдение оптимальных параметров: напряженности электрического поля, плотности тока и продолжительности обработки воды.

Оптимальные параметры режима электрообработки и достигаемая эффективность обработки воды затворения электрическим полем растворимых электродов зависят от свойств используемых материалов, физико-химических характеристик исходной воды, температуры среды и времени выдерживания обработанной воды затворения до введения ее в бетонную смесь. Учитывая большое количество условий, оптимальные режимы обработки должны устанавливаться экспериментальным путем. При этом для определения пределов варьирования устанавливаются наиболее вероятные границы изменения отдельных параметров и их сочетаний.

Рисунок 1 – Схема последовательности операций процесса бетонных работ с блоком электрообработки воды затворения (БЭО)

Так, напряженность электрического поля при обработке воды может быть назначена исходя из того, что концентрация гидроксида металла при растворении материала электродов в результате электрохимических процессов увеличивается непропорционально напряженности электрического поля. Увеличение напряженности выше 50–60 В/см приводит к нелинейному увеличению концентрации гидроксида. Кроме того, условия безопасной работы установки по обработке воды с позиций охраны труда обязывают использовать напряжение 30–50 В/см.

При плотности тока от 1 до 5 мА/см2 наступает равновесие между процессами растворения металла и образования пассивирующих пленок, и электрод растворяется равномерно, без пассивации. Увеличение плотности тока смещает равновесие в сторону образования пассивирующих слоев и приводит к полной пассивации электродов. Следовательно, плотность тока при обработке воды затворения электрическим полем необходимо поддерживать до 5 мА/см2.

При увеличении продолжительности обработки воды происходит увеличение концентрации гидроксида металла. Время обработки может назначаться в пределах от долей секунд до нескольких десятков минут. В производственных условиях продолжительность обработки воды не должна задерживать основной процесс приготовления бетонной смеси, т.е. время на обработку воды должно примерно равняться времени на дозирование компонентов, их загрузку и прочие операции.

Таким образом, при обработке воды затворения электрическим полем растворимых электродов наиболее вероятные границы изменения напряженности электрического поля должны находиться в пределах от 1 до 50 В/см, плотности тока – от 1 до 5 мА/см2, продолжительности обработки – не более 1–20 мин. Точные значения расчетных параметров устанавливаются экспериментальным путем.

В производственных условиях важно правильно выбрать место установки БЭО. Это позволит устранить влияние неконтролируемых факторов (изменение температуры, перепад давлений и др.) на эффект обработки. Установку по обработке воды затворения устанавливают с таким расчетом, чтобы путь воды после ее обработки до смесителя был наиболее коротким. Время хранения обработанной воды до употребления не должно превышать времени релаксации активированной воды.

Кроме того, установки, используемые для электрообработки воды, должны устанавливаться таким образом, чтобы обеспечивать ламинарный режим потока воды. Гидравлическое давление в месте устройства установки не должно превышать допустимых значений для выбранного блока электрообработки. Межэлектродные промежутки должны заполняться водой полностью, чтобы исключить образование в них воздушных полостей и застойных зон. Для этого наиболее целесообразно подавать воду в установку снизу вверх.

Учитывая возможность изменения различных условий во времени, необходим непрерывный контроль эффективности процессов активации, что требует подключения к узлу автоматики, снабженной микропроцессорной техникой.

Для определения эффекта электрообработки проводится сравнительный анализ проб воды, подвергнутых и не подвергнутых электрическому воздействию, а также параллельное измерение конкретных характеристик: растворимости, скорости кристаллизации, кинетики химических реакций и др. Реже осуществляют последовательные измерения, например, вязкости, поверхностного натяжения и пр. Эффект электрообработки воды целесообразно оценивать после смешения ее с компонентами бетонной смеси.

Результаты производственных исследований полностью доказали эффективность, простоту и доступность процесса электрообработки воды с последующим использованием ее для приготовления строительной смеси. Так, смесь приготовленная на необработанной воде имеет осадку конуса 6–8 см, а приготовленная на обработанной воде дает осадку конуса 12–14 см. Прочность образцов увеличивается на 18% после 7 суток твердения. Наибольший эффект от использования электрообработанной воды затворения достигнут при оптимальных режимах обработки: напряженность поля 20 и 30 В/см; продолжительность обработки 7 и 5 минут соответственно.

Выполнение работ во время производственных испытаний подтвердили технологическую простоту исследуемого метода электрообработки воды затворения и возможность его осуществления без изменения основных технологических процессов и введения новых технологических линий (рисунок 2).

Рисунок 2 – Приготовление бетонной смеси на электрообработанной воде затворения

При использовании электрообработанной воды затворения для приготовления бетонной смеси повышается подвижность свежего бетона и его прочность, снижается водопотребление. Бетонные смеси с большей подвижностью легче укладывать в конструкции, т.е. они более технологичны. Возможно снижение трудоемкости при их укладке и уплотнении, а значит, резко сокращается время вибрирования и режимов тепловой обработки. Пластичный бетон легче транспортировать, перекачивать, укладывать. Смесь не расслаивается и сохраняет связность. Благодаря увеличивающейся подвижности по осадке конуса (с 6–8 до 12–14 см), появляется возможность сокращения расхода цемента до 15%.

Технологическая линия приготовления бетонной смеси на БСУ отличается от обычной введением в ее схему блока электрообработки воды, который устанавливается после дозатора воды перед смесителем. Обработка воды затворения электрическим полем является дополнительной операцией, не исключающей необходимость выполнения всех требований по технологии приготовления бетонной смеси.

Технологический процесс приготовления бетонной смеси на электрообработанной воде затворения по порядку загрузки материалов в смеситель не изменяется. Продолжительность перемешивания в зависимости от вместимости смесителя по загрузке выдерживается постоянной. Полученная после перемешивания предварительно подобранных и отдозированных в определенном соотношении компонентов (вяжущее, заполнители, вода затворения) бетонная смесь должна соответствовать предъявляемым к ней требованиям по технологическим показателям качества, а после твердения в заданные сроки при принятых температурно-влажных условиях обеспечивать нормируемую прочность бетона.

Рациональная область использования электрообработанной воды затворения в технологии бетонных работ выбирается при строительном и технологическом проектировании с учетом предполагаемых условий бетонирования. Дополнительные мероприятия, возникающие при электрообработке воды, должны быть отражены в проектах производства работ (ППР) и технологических картах.

Технологическая схема приготовления бетонной смеси с использованием воды затворения, обработанной электрическим полем растворимых электродов, заключается в том, чтобы, оптимально используя эффект от обработки воды, получить максимальный технологический эффект улучшения физико-механических, технологических и эксплуатационных свойств конечного продукта.

Согласно технологической схеме (рисунок 3) и схеме последовательности операций (рисунок 1) при приготовлении на электрообработанной воде затворения бетонной смеси ее компоненты подаются со склада заполнителей, цемента и засыпаются в соответствующие отсеки бункеров 1, 2, 3. Заполнение материалами отсеков бункеров контролируется уровнемерами. Бункеры снабжены впускными и выпускными затворами. Цемент, заполнители и вода, отвешенные в дозаторах 4, 5, 6 и 7, направляются в сборную воронку 13, по которой поступают в бетоносмеситель 14. По истечении необходимого на перемешивание времени смесь поступает в раздаточный бункер 15. После выгрузки цикл повторяется.

Включенная в технологическую схему приготовления бетонной смеси установка по электрообработке воды затворения 8 снабжена микропроцессором, который регулирует параметры напряженности электрического поля и продолжительности обработки воды в зависимости от параметров бетонной смеси на выходе БСУ, позволяет получать бетонную смесь улучшенных качеств. Установка по обработке воды является компактной (что важно в построечных условиях монолитного строительства, где отсутствуют свободные строительные объемы), отличается высокой эксплуатационной пригодностью, в том числе ремонтопригодностью, удобна в управлении и обслуживании. Процесс обработки воды легко автоматизируется, а сама установка является экологически безопасной, т.к. не требует применения реагентов.

Рисунок 3 – Технологическая схема приготовления бетонной смеси на электрообработанной воде затворения:

1, 2, 3 – заполнители и цемент; 4, 5, 6 и 7 – дозаторы цемента, заполнителей и воды; 8 – установка для обработки воды; 9, 10 – задвижки; 11 – насос; 12 – накопитель воды; 13 – сборная воронка; 14 – бетоносмеситель; 15 – раздаточный бункер; М.п. – микропроцессор

Для получения максимального технологического эффекта от использования электрообработанной воды затворения проводится выбор оптимального режима ее обработки. На первом этапе предварительно назначаются предполагаемые оптимальные параметры и определяется зависимость изменения эффективности обработки от режимов в выбранных пределах. На втором этапе по найденному максимальному эффекту обработки устанавливаются оптимальные параметры. Выбранные параметры режимов фиксируются на пульте управления и в дальнейшем являются рабочими. Всякое последующее необходимое изменение режима обработки воды осуществляется оперативно с пульта управления.

Производственные исследования подтвердили результаты экспериментальных исследований по эффективности использования обработки воды затворения электрическим полем растворимых электродов с последующим приготовлением на ней строительных смесей.