Виброактивация цементно-песчаного раствора. Часть 2

Тщательное изучение виброактивации водно-цементных паст не способно было дать полную и исчерпывающую информацию о виброактивации цементно-песчаных растворов и бетонов: ведь в активируемую двухкомпонентную систему (цемент+вода) вводится третий компонент – заполнитель.

Термин «виброактивированный раствор» узаконен практикой как замена более громоздкого выражения «виброактивированная водно-цементно-песчаная паста». Однако термин «виброактивированный раствор» воспринимается как неточный, поскольку активации подвергается лишь цемент, а другая важная составляющая раствора, песок, не меняет своих качеств под воздействием высокочастотного внешнего вибровоздействия. Эта проблема снимается, если учесть изменения свойств контакта цементного камня с зернами песка, вызываемые совместной виброобработкой всей водно-цементно-песчаной смеси.

Фотографии микрошлифов обычного и виброактивированного цементно-песчаных растворов убедительно свидетельствуют, что при совместной виброобработке активируются на только цементные зерна, но и места их контакта с заполнителем. Активация точки контакта цемента и заполнителя приводит к повышению плотности бетона, прочности на сжатие и, в особенности, на растяжение. Повышается морозостойкость бетона, улучшается сопротивляемость всем видам износа, снижается водопроницаемость и капиллярный водоподсос. Все это позволяет значительно улучшить характеристики бетонов и растворов, прошедших виброактивацию.

Исследованию оптимальных параметров виброактивации цементно-песчаных вибропаст была посвящена большая серия экспериментов.

Характеристики цемента, использованного для экспериментов приведены в таблице 1.

Табл. 1

Параметры цемента	Портландцемент «пуццолановый»
Нормальная густота	0,305
Начало схватывания, через, в час-мин	3–10
Конец схватывания, через, в час-мин	6–15
Прочность на сжатие в возрасте 7 суток, кг/см2	318
Прочность на сжатие в возрасте 28 суток, кг/см2	377
Прочность на растяжение в возрасте 7 суток, кг/см2	21,2
Прочность на растяжение в возрасте 28 суток, кг/см2	29,2

Песок использовался из различных карьеров и различной крупности (см. табл. 2).

Табл. 2

Карьер песка	Процентное содержание частиц
	Больше 0,3 мм	От 0,15 до 0,3 мм	От 0,088 до 0,15 мм	Меньше 0,088 мм
Тахиа-Таш	8,4%	37,2%	32,7%	21,7%
Казак	34,6%	61,4%	3,6%	0,4%
Балабан	81,8%	16,6%	1,2%	0,4%

Примечание: Тахиа-Таш – барханный песок пустыни Каракум, Казак и Балабан – местные мелкие пески из р-на Новой Каховки.

Дозировки сухой смеси во всех случаях были постоянны: на 60 г цемента 120 г песка.

В качестве основного показателя эффекта виброактивации было принято повышение прочности кубиков в возрасте трех дней, изготовленных из виброавтивированного и обычного цементно-песчаных растворов.

Результаты экспериментов сведены в таблицу 3

Табл. 3

Карьер песка	Значение коэффициента повышения прочности в зависимости от частоты виброактивирующего воздействия
	0 Гц	100 Гц	200 Гц	300 Гц	400 Гц	500 Гц	600 Гц	700 Гц	800 Гц	900 Гц	1000 Гц
Тахиа-Таш	1	1,1	1,4	1,7	1,32	1,25	1,25	1,25	1,25	1,25	1,25
Казак	1	1,38	1,6	1,1	1,05	1,05	1,05	1,05	1,05	1,05	1,05
Балабан	1	1,56	1,48	1,28	1,18	1,18	1,18	1,18	1,18	1,18	1,18

Примечание: Длительность процесса виброактивации во всех случаях – 2 минуты.

В процессе экспериментов было установлено, что на саму возможность и эффективность виброактивации огромное влияние оказывает количество воды, использованное для смачивания цементно-песчаной смеси. При избыточном увлажнении смеси вибрирование вызывает расслоение массы без достижения ощутимого эффекта активизации. При недостаточном увлажнении вибратор, погруженный в смесь и включенный в работу, образует вокруг себя род кратера, где бесполезно перемещаются вверх-вниз песчинки и зерна цемента.

При надлежащем увлажнении наблюдается следующая картина. При запуске вибратора, погруженного в активируемую смесь, масса приходит в движение, оседает и уплотняется, вытесняя при этом захваченный воздух так интенсивно, что в первый момент вибрирования спичка, поднесенная к вибратору, мгновенно гаснет. Цемент интенсивно реагирует с водой, цементные зерна растираются и дробятся, а вода, пошедшая на смачивание песка, поглощается цементом, и зерна песка покрываются коллоидной массой. Смесь цемента с песком приобретает жирный блеск и ликвируется. При прекращении вибрирования смесь мгновенно застывает в очень густую блестящую пасту. Поэтому опорожнять лабораторную установку стоит при работающем вибраторе.

С увеличением крупности зерна величина водной добавки для смачивания песка была разной. Так при расходе 60 г цемента и 120 г песка, величина водной добавки составляла в процентах от веса цемента для песков Тахиа-Таш – 56%, Казак – 48%, Балабан – 40%.

Величина оптимальной водной добавки к активируемой смеси песка с цементом первоначально принимается равной сумме парциальных добавок на увлажнение цемента, смачивание поверхности заполнителя и на воду, поглощаемую порами песка. Оптимальный расход воды меньше суммы парциальных расходов, т.к. активируемый цемент отсасывает воду из пленок обволакивающих поверхность заполнителя.

Уже эти первоначальные эксперименты показали, что в вопросе виброактивации цементно-песчаных суспензий существуют определенные зависимости:

1. Эффективность виброактивации растет с увеличением среднего размера зерна заполнителя.

2. Для различных по крупности заполнителей существуют строго определенные частотные диапазоны вибрирования, в пределах которых эффект виброактивации наиболее выражен.

3. Количество воды, пошедшей на смачивание цементно-песчаной пасты, имеет очень большое значение и тоже находится в строго определенном оптимуме.

Изучению этих особенностей и были посвящены все последующие исследования в этом направлении.

Влияние среднего размера зерна заполнителя на эффективность виброактивации

Как было выяснено в первоначальных исследованиях – оптимальная частота вибрирования сильно зависит от крупности песка. Поэтому было бы весьма заманчиво математически установить эту зависимость, чтобы назначать оптимальную частоту вибрирования, а не подбирать её путем длительных и кропотливых экспериментов.

Если рассматривать простейший случай изготовления виброактивированного раствора с использованием мелкого песка, то следует исключить влияние вибрационных импульсов на цементные зерна в виду их малости по сравнению со средним размером зерен песка.

В начале виброобработки прилагаемые импульсы механического возмущения пронизывают полусухую рассыпчатую смесь. Благодаря такому вибровоздействию полусухая смесь приобретает свойства псевдожидкости – неоднородной вязкой жидкости. Поэтому в дальнейшем рассматривать вибрационные возмущения следует по отношению не к полусухой смеси, а к жидкости.

Так как эта псевдожидкость неоднородна по составу, да еще и состоит из частиц разного размера (а соответственно, и массы), оптимальным было бы назначение многочастотного вибрирования, чтобы как можно больше частиц, составляющих раствор, вошло в состояние резонанса с внешним вибровозмущением. Это самый экономичный способ, но не самый простой. Поэтому из практических соображений было предложено отказаться от многочастотного вибрирования, а искать оптимум частоты для частиц некой средней размерности.

После многочисленных экспериментов по проверке математических моделей на практике для песков, максимальный размер зерен которых не превышает 1,2 мм, была предложена следующая формула по определению средней величины крупности песка:

D=11,25/(А1+А2/2+А3/4+А4/8), где:

11,25 – эмпирический коэффициент, вычисленный экспериментально для песков крупностью до 1,2 мм;

А1 – содержание в песке зерен крупностью 0,05–0,15 мм в %;

А2 – содержание в песке зерен крупностью 0,15–0,3 мм в %;

А3 – содержание в песке зерен крупностью 0,3–0,6 мм в %;

А4 – содержание в песке зерен крупностью 0,6–1,2 мм в %.

В данной формуле зерна песка размерностью меньше 0,05 прибавляют к величине А1, а зерна песка больше 1,2 мм – к А4.

Для удобства последующих расчетов все данные сведены в одну таблицу (табл. 4).

Табл. 4

Карьер песка	Величина средней крупности песка D	Процентное содержание частиц класса
		А1 (0,05–0,15)	А2 (0,15–0,3)	А3 (0,3-0,6)	А4 (0,6–1,2)
Тахиа-Таш	0,1498	54,4%	37,2%	8,4%	0%
Казак	0,2601	4,0%	61,4%	34,6%	0%
Балабан	0,3707	1,6%	16,6%	81,8%	0%
Безлюдовский карьер (г.Харьков)	0,1944	18,0%	56,0%	23,0%	3%

Примечание:

1. Весь Харьков построен на таком плохом для тяжелых бетонов песке.

2. Исходные данные для табл. 4 взяты из табл. 2.

Примеры расчета:

для Тахиа-Таш D=11,25/(54,4+37,2/2+8,4/4+0/8)=11,25/(54,4+18,6+2,1+0)=11,25/75,1=0,1498

для Казак D=11,25/(4,0+61,4/2+34,6/4+0/8)=11,25/(4,0+30,6+8,65+0)=11,25/43,25=0,2601

для Балабан D=11,25/(1,6+16,6/2+81,8/4+0/8)=11,25/(1,6+8,3+20,45+0)=11,25/30,35=0,3707

для Безлюдовка D=11,25/(18,0+56,0/2+23,0/4+3,0/8)=11,25/(18,0+28,0+11,5+0,375)=11,25/57,875=0,1944

Исходя из величины средней крупности песка D была предложена формула для определения оптимальной частоты вибровоздействия:

F=K/D, где

F – оптимальная частота вибровоздействия в Гц;

K – безразмерный коэффициент вычисленный экспериментально и равный 50 для мелких песков;

D – величина средней крупности песка.

Согласно этой формуле, оптимальная частота вибровоздействия для песка Тахиа-Таш составляет F=K/D=50/0,1498=333,78 Гц

для Казак, соответственно F=50/0,2601=199,23 Гц

для Балабан, соответственно F=50/0,3707=135,88 Гц

для Безлюдовка, соответственно F=50/0,1944=257,20 Гц

Вышеприведенный математический аппарат был проверен экспериментально и показал высокую сходимость результатов (см. табл. 5).

Табл. 5

Карьер песка	Величина средней крупности песка D	Оптимальная частота вибрации, Гц
		Опытные данные	Вычисленные данные
Тахиа-Таш	0,1498	300	333,78
Казак	0,2601	200	199,23
Балабан	0,3707	150	135,88

Опыты также подтвердили теоретическое соображение о том, что оптимальная частота вибрирования должна снижаться с увеличением средней крупности песка, но одновременно было установлено, что со снижением среднего размера зерна эффективность виброактивации не падает, а даже несколько повышается.

Как экспериментальным, так и эмпирическим путем было также доказано, что если соблюдать правило назначения оптимальной частоты виброактивации, то эффективность виброобработки растет с уменьшением величины среднего размера зерна заполнителя. С позиций физико-химической механики дисперсных систем это явление объясняется тем, что при уменьшении размера зерна заполнителя, при прочих равных условиях, число зерен заполнителя в единице объема виброактивируемого раствора растет, соответственно, уменьшается и толщина пленок цементного теста, обволакивающего эти зерна. А раз так, то результирующая однородность структуры цементно-песчаного камня также увеличивается, что способствует росту конечной прочности отвердевшего раствора.

Развитие учения о виброактивации цемента

Первые же опыты по вибрационной активации вводно-цементных и вводно-цементно-песчаных паст вызвали жгучий интерес многих исследователей к данной проблеме. Появилось множество научных трудов. Еще больше производственников пыталось внедрить результаты этих исследований в практику.

Не всегда практический опыт подтверждал выводы ученых. В большинстве случаев это было обусловлено слабой теоретической подготовкой строителей.

В специализированных научных изданиях, освещающих тему активации строительных материалов, можно встретить суждения о степени эффективности тех или иных активирующих приборов, методов и подходов. Так же много и оценок степени их эффективности.

Влияние вида и скорости механического нагружения на механохимическую активность продуктов разрушения

Наибольшую активность имеют продукты, измельченные в специальных энергонапряженных мельницах: вибрационных мельницах, дезинтеграторах, планетарно-шаровых мельницах, мельницах вихревого слоя, струйных мельницах.

Во всех этих агрегатах материал измельчается или раздавливанием, или ударом, или истиранием, а обычно всеми тремя способами одновременно. Но главный «вклад» в процесс измельчения вносит измельчение путем удара.

Ударное разрушающее воздействие на материал можно разделить на «свободное» и «стесненное».

«Свободный» удар: обрабатываемый материал ударяется с большой скоростью о неподвижную преграду (струйная мельница – типичный пример) или, двигаясь с небольшой скоростью, подвергается воздействию механических ударных элементов движущихся с большой скоростью (дезинтегратор). После соприкосновения (удара) обрабатываемый материал способен изменить свою траекторию в соответствии с параметрами удара и характеристиками самого материала. Иногда «свободный» удар называют еще «удар с отскоком».

«Стестенный» удар: частица, находящаяся в неподвижном состоянии или перемещающаяся с малой скоростью, разрушается под действием удара свободно падающего под действием сил гравитации мелющего тела (шаровая мельница) или под действием мелющего тела, находящегося в поле действия инерционных сил (планетарная мельница).

В случае «свободного» удара превалирует динамическая составляющая передачи энергии, а в случае «стесненного» – статическая. Есть ли разница между этими вариантами разрушения? И, если есть, как наиболее верно подобрать параметры ударного разрушения для обеспечения наибольшей эффективности в случае помола цемента?

Большое число экспериментов было посвящено изучению влияния вида и скорости деформации на вероятность нагружения измельчаемого цемента. Исследования механизма разрушения частиц цемента и анализ гранулометрического состава продуктов измельчения показали, что распределение частиц по размерам подчиняется нормально-логарифмическому закону. В зависимости от способа разрушения форма частиц измельченного продукта изменяется от почти кубической (при «свободном» ударе) до продолговатой, лещадной (при медленном сжатии и «стесненном» ударе). Последнее положение хорошо коррелирует с результатами опытов по измельчению крупного заполнителя – гравия.

Как известно, поверхностные явления на границе твердое тело-жидкость невозможно оценить «прямыми» способами через измерение сил поверхностного натяжения. Для этих целей используются косвенные методы изучения поверхностных явлений – измерение теплоты смачивания. Установлено, что при смачивании твёрдого тела жидкостью наблюдается выделение тепла, так как разность полярностей на границе твёрдое тело-жидкость меньше, чем на границе с воздухом. Для пористых и порошкообразных тел теплота смачивания обычно имеет значение от 1 до 125 кДж/кг и зависит от степени дисперсности твёрдого тела и полярности жидкости.

В общем виде можно сказать, что теплота смачивания характеризует как дисперсность так и природу его поверхности. Чем больше теплоты выделяется при смачивании, тем лучше жидкость смачивает поверхность твердого тела. В случае цемента увеличение теплоты смачивания свидетельствует об улучшении доступа воды к цементу, а соответственно, к более полной его гидратации.

Экспериментально было установлено, что на увеличение теплоты смачивания влияют как скорость разрушения, так и модель разрушения. Так, для «свободного» удара величина увеличения теплоты смачивания почти прямо пропорциональна увеличению скорости разрушения. При «стесненном» ударе увеличение скорости разрушения очень мало влияет на увеличение теплоты смачивания: самую низкую теплоту смачивания имеют порошки, полученные статическим сжатием.

Влияние скорости удара на прочность цементного камня на сжатие вообще носит экстремальный характер (см. табл. 6).

Табл. 6

Параметры измельчения	Количество добавок	Влияние скорости удара в м/с на прочность цементного камня в кг/см2
		30 м/с	60 м/с	90 м/с	120 м/с	150 м/с	180 м/с	210 м/с
Свободный удар (дезинтегратор)	0	35	50	80	120	135	130	70
Стесненный удар (вибромельница)	0	-	10	45	80	75	50	20
Свободный удар (дезинтегратор)	15% опока + 5% гипс	230	245	255	300	315	320	325
Стесненный удар (вибромельница	15% опока + 5% гипс	-	80	130	180	195	200	205

Примечание:

1. Измельчались образцы цементного клинкера от крупности 5–7 мм до достижения удельной поверхности 3500 см2/г

2. Измельченный при различных условиях цементный порошок стандартным образом затворялся с песком в соотношении 1:3 при В/Ц=0,3

Увеличение скорости разрушения приводит сначала к росту прочности, а затем к её снижению. Наблюдение за процессом твердения цемента показали, что при скоростях измельчения свыше 180 м/с («свободный» удар) или 120 м/с («стесненный» удар) процесс гидратации протекает поэтапно, что и объясняет падение прочности. В первые несколько суток твердения из-за наличия большого количества активных центров кристаллизации гидратация протекает неравномерно по объему. Эта неравномерность в дальнейшем способствует образованию локальных центров концентрации напряжений и появлению множественных дефектов структуры. Так, например, при скорости деформации 270 м/с и более после 4-хсуточного твердения происходит полное самопроизвольное разрушение образцов.

Объяснением этому парадоксу, когда с увеличением скорости разрушения цементного клинкера прочность образцов падает, может служить предположение, что на определенном этапе начинают проявляться механохимические эффекты. Благодаря им растворимость мономинеральных составляющих цементного клинкера изменяется. Формирующиеся при этом новые кристаллизационные структуры нетипичны для обычного цементного камня и не способствуют росту его прочности. В качестве добавок, нормализующих ход гидратации цементного клинкера на начальном этапе, было предложено вводить дополнительно гидравлическую добавку (опока) и гипс двуводный, который задает начальную структуру кристаллизационных новообразований на основе гидросульфоалюминатов. Благодаря таким нехитрым мероприятиям оказалось возможным повысить максимально достижимую прочность цементного камня при «свободном» ударе в 2,4 раза (с 120 кг/см2 до 325 кг/см2), при «стесненном» ударе – в 2,5 раза (с 80 кг/см2 до 205 кг/см2).

Ранее, в 1961 году, Йоханес Хинт экспериментальным путем определил, что наиболее эффективной скоростью удара при измельчении гидравлических вяжущих (цемент) «свободным» ударом (дезинтегратор) является скорость в 250 м/с (близко к приведенным выше результатам).

В большинстве публикаций, посвященных проблеме тонкого измельчения строительных вяжущих, отдельно не говорится о влиянии скорости измельчения на конечную прочность. Но зато всегда указывается, что в процессе такого дополнительного измельчения цемента необходимо в обязательном порядке учитывать повышенный выход в систему отдельных составляющих цементного клинкера, и в первую очередь трехкальциевого алюмината – С3А. Поэтому ВСЕГДА дополнительное измельчение цемента должно проводиться на фоне введения дополнительных дозировок гипса и гидравлических добавок.

Известны случаи, когда экспериментаторы, исследуя процессы измельчения и механоактивации цементов на высоконагруженных измельчающих аппаратах (дезинтеграторах), с увеличением скорости удара получали отрицательные результаты. Проблема в том, что они не добавляли гипс и гидравлические добавки.

Из приведенных выше исследований видно, что именно помольные агрегаты, реализующие «свободный» удар, способны в наиболее полной мере реализовать потенциал механохимической активации в гидравлических вяжущих.