Перейти к:
ВЛИЯНИЕ МЕХАНОМАГНИТНОЙ АКТИВАЦИИ РАСТВОРА СУПЕРПЛАСТИФИКАТОРА С-3 НА ПРОЦЕССЫ ФАЗООБРАЗОВАНИЯ В МЕЛКОЗЕРНИСТОМ БЕТОНЕ
Аннотация
Изучено влияние механомагнитной активации (ММА) растворов суперпластификатора С-3, используемых для затворения цементного теста, на структуру и свойства цементных композитов. Методом динамического рассеяния света установлено появление наноразмерных частиц дисперсной фазы жидкости затворения. На основании данных термогравиметрического и рентгенофазового анализа найдены изменения структуры цементного камня, установлена роль ММА в структурообразующих процессах, определены основные компоненты структуры цементного камня.
Ключевые слова
Для цитирования:
Акулова М.В., Слизнева Т.Е., Соколова Ю.А., Соколова А.Г. ВЛИЯНИЕ МЕХАНОМАГНИТНОЙ АКТИВАЦИИ РАСТВОРА СУПЕРПЛАСТИФИКАТОРА С-3 НА ПРОЦЕССЫ ФАЗООБРАЗОВАНИЯ В МЕЛКОЗЕРНИСТОМ БЕТОНЕ. Известия Кабардино-Балкарского государственного университета. 2022;12(4):44-50.
For citation:
Akulova M.V., Slizneva T.E., Sokolova J.A., Sokolova A.G. THE IMPACT OF MECHANOMAGNETIC ACTIVATION OF THE SUPERPLASTICIZER C-3 SOLU-TION ON THE PROCESSES OF PHASE FORMATION IN FINE GRAIN CONCRETE. Proceedings of the Kabardino-Balkarian State University. 2022;12(4):44-50. (In Russ.)
Одна из ведущих позиций на рынке строительных материалов принадлежит бетону на основе цемента, что порождает повышенные требования к эксплуатационным характеристикам бетонов и бетонных смесей [1], среди которых важное значение имеет сохранение подвижности смеси и прочностные показатели бетона. Наиболее часто изменение свойств бетонов осуществляется химическими модификаторами [2–4], в частности, пластификаторами бетонных смесей [3]. Однако наилучшие показатели (прочность, удобоукладываемость и т. д.) достигаются при некоторой критической дозировке модификатора, после превышения которой
эффект снижается [5]. Альтернативой может служить увеличение площади контактной поверхности твердых составляющих, а также количество активных реакционно-способных центров, способствующих повышенной степени гидратации активированного цемента, за счет более тонкого помола цемента [6, 7] или активации наполнителей [8]. Однако более дешевый способ управления свойствами бетонов – это жидкофазная активация, заключающаяся во внешнем энергетическом воздействии на воду затворения, содержащую функциональную добавку [9-10]. Часто для активации применяется воздействие на водные системы магнитным полем [11, 12], в том числе производится магнитная обработка растворов суперпластификаторов [13]. В [14] отмечено, что использование магнитной воды для приготовления и твердения бетона повышает его механические свойства и долговечность, а также потребление химических добавок значительно снижается в намагниченном водонасыщенном бетоне.
Вероятно, при интенсивном механическом воздействии на жидкую фазу в условиях кавитации происходит деструкция полимера, развиваются массообменные процессы, в результате которых образуются радикалы H., радикалы органических молекул, и структура раствора меняется [15–19]. К еще более глубокой перестройке водородных связей и конформационным изменениям молекул дисперсной фазы приводит последующее омагничивание механоактивированной жидкости [20, 21].
Таким образом, после механомагнитной активации (ММА) надмолекулярная структура раствора должна измениться в сторону увеличения внутренней энергии. При затворении цементного теста активированным раствором зерна цемента более интенсивно взаимодействуют с активными центрами модификатора, с ионами OH–, а также подвергаются спонтанным «атакам» квантов энергии, излучаемых при релаксации активированных структур воды.
Для повышения эффективности строительных работ большое значение имеет сохранение подвижности бетонной смеси.
Равномерное распределение волокон полимера в объеме матрицы может быть достигнуто путем предварительной активации жидкости затворения, содержащей добавку, в результате которой ожидается деструкция полимера. В повышении реакционной способности активируемой жидкости, содержащей полимер, не последнюю роль играют магнитное, гидродинамическое и ультразвуковое воздействие [9-14]. Наиболее эффективным можно считать воздействия, при которых имеет место кавитация, обеспечивающая повышение реакционной способности отдельных ансамблей частиц за счет точечного воздействия на них малой внешней энергией активации [22].
Добавка С-3 представляет собой смесь полиметиленполинафталинсульфонатов натрия (ПНС), строе-ние которых может быть представлено формулой [22]:
.
Квантово-химические расчеты показали, что при значениях степени поликонденсации n=5…7 энергетически выгодным является образование линейных фрагментов, в которых все функциональные группы доступны для взаимодействия с поверхностью цементных частиц. При n ³ 11 возрастает вероятность возникновения изогнутых систем, приводящих к образованию скрученной глобулярной структуры молекул. В результате пластифицирующая способность добавки и прочностные показатели бетона снижаются за счет встраивания и закрепления «больших» молекул пластификатора в «межслое» геля [22].
В данной работе изучали влияние ММА воды с органическими добавками на структуру и свойства мелкозернистого бетона. В качестве материалов использовали портландцемент ЦЕМ I 42,5 (ГОСТ 31108-2020), водопроводную воду (ГОСТ Р 51232-98). В качестве заполнителя использовали промытый природный песок и песок из отсевов дробления и их смеси из карьера «Хромцовский» Ивановской области (ГОСТ 8736-2014) с модулем крупности 1,5…2,8 мм. Для модифицирования бетона были выбраны следующие химические добавки: широко применяемый в строительстве суперпластификатор С-3 (ТУ 5870-006-58042865-05), действие которого сводится, в основном, к увеличению и сохранению подвижности бетонной смеси, а также проявляется в повышении прочности бетона и регулировании его структуры.
Для проведения активации использовали кавитационный аппарат роторного типа, на выходе которого располагался постоянный магнит с коэрцитивной силой 140 кА/м для стабилизации фракционного состава дисперсной фазы в обрабатываемой жидкости. Частота вращения ротора активатора составляла 3600 об/мин. Обрабатывали водный раствор суперпластификатора С-3, концентрацию которого меняли в пределах от 0,005 масс. % (0,178 г/л) до 1 масс. % (35,714 г/л), время активации составляло от 1 до 3 мин. После активации определяли показатели относительной интенсивности светорассеяния (I, %), относительного объема
частиц (V, %) и относительного числа частиц (N, %) дисперсной фазы на приборе Zetasizer Nano ZS (Англия). Активированную жидкость использовали для приготовления цементной пасты и бетонной смеси. Общий фазовый анализ проб цементного камня проводили на рентгеновском дифрактометре ДРОН-2 с использованием Сuk-a излучения (длина волны l = 1,5417737 Å). Запись дифракционной картины на диаграммную ленту производилась в диапазоне углов от 0 до 80°.
В табл. 1 приведены физико-механические свойства цементных композиций.
Таблица 1
Физико-механические характеристики цементных композиций
Количество добавки, % массы цемента | Прочность бетона, МПа | Подвижность, % | Сохранение подвижности, % | Сроки схватывания, мин. | ||
при сжатии | при изгибе | начало | окончание | |||
0,005+ММА | 23 | 4,8 | 13,5 | 70 | 105 | 335 |
1 без ММА | 23,5 | 4,9 | 14,3 | 90 | 115 | 325 |
контр. | 19 |
| 7,8 | 50 | 65 | 430 |
Сопоставляя данные табл. 1, можно убедиться в значительном повышении функциональности добавок в случае применения механомагнитной активации. Так, повышение прочности бетона при сжатии на 21 % по сравнению с контрольным образцом без добавок было достигнуто при использовании для затворения водопроводной воды с 1 % С-3. Такое же повышение прочности при сжатии наблюдалось при использовании в составе бетона ММА раствора, содержащего С-3 в количестве всего лишь 0,005 % массы цемента.
Использование активированного раствора полиметилплинафталинсульфоната натрия в качестве пластифицирующей добавки позволило увеличить подвижность бетонной смеси и прочность бетона при значительном снижении количества вещества добавки в жидкости затворения.
В результате ММА степень дисперсности жидкости затворения претерпела некоторые изменения.
|
|
|
На рис. 1 представлена графическая интерпретация экспериментальных данных, полученных усреднением результатов пяти параллельных замеров, которая свидетельствует, что в результате активации наблюдается протекание дезинтеграции дисперсной фазы с появлением фракций порядка 100 нм. Возможна деструкция полимера (снижение степени полимеризации).
а) б) в)
Рис. 1. Распределение по размеру частиц показателей относительной интенсивности светорассеяния (а), относительного объема частиц (б) и относительного числа частиц (в) в исходном (1) и подвергнутом механоактивации (2) растворах С-3
Очевидно, что применение механомагнитной активации растворов полиметилплинафталинсульфоната натрия привело к появлению наноразмерных фракций.
С целью изучения механизма действия ММА жидкости затворения на фазовый состав и структуру композита были применены дифференциальный термогравиметрический анализ (ДТГА) и рентгенофазовый анализ (РФА) проб цементного камня [23], приготовленного на активированных и не активированных растворах выбранных добавок, взятых в различных количествах. На рис. 2 представлены кривые ДТГ, ДТА и ТГ, полученные при нагревании образцов цементного камня с добавкой С-3 и контрольного образца до температуры 1000 °C со скоростью 10 °C/мин на дериватографе Q-1000 фирмы МОМ (Венгрия).
Рис. 2. Сопоставление кривых ДТА, ДТГ и ТГ при нагревании образцов цементного камня: 1 – на ММА водном растворе С-3 (0,005 % массы цемента); 2 – на не активированном водном
растворе С-3 (1 % массы цемента); 3 – контрольного (на водопроводной воде)
Все кривые ДТА имели по три характерных эндотермических пика, сопровождающихся потерями массы. Максимум первого эндотермического эффекта относительно контрольного образца у всех составов смещен в сторону более высоких температур, что может быть вызвано большей плотностью образцов, со-держащих добавку.
Форма пика второго эндотермического эффекта на кривой ДТГ всех образцов отличается, определяя различную кинетику дегидратации. Сравнительно небольшая глубина пика на линии ДТА у образца № 1 при неглубоком симметричном пике на кривой ДТГ указывает на небольшое количество хорошо закристаллизованного портландита. На кривой ДТГ образца № 2 (на не активированном растворе С-3) левый склон более пологий, следовательно, в цементном камне данного состава мог образоваться портландит, имеющий большой разброс по размеру кристаллов. Образец № 3 имеет наиболее глубокий и острый пик на кривой ДТА, что позволяет предположить аморфное состояние гидроксида кальция.
Кривая ДТГ образца № 3 имеет глубокую впадину в области третьего эндотермического эффекта, характеризующую разрушение CaCO3 и C-S-H, однако область эффекта сильно смещена влево – от 620 до 760 °C, что указывает на некоторое изменение соотношения между CaCO3 и C-S-H, либо на изменение состава фазы C-S-H.
В табл. 2 представлены соотношения потери массы образцами цементного камня в ходе дегидратации при высокотемпературном нагреве. Образец цементного камня №1 отличается наименьшей потерей массы. Несколько замедленная потеря влаги при температуре ниже 300 °C указывает на уменьшение размера пор в цементном камне, а также на перекристаллизацию или стабилизацию алюминатных фаз. Нагревание пробы № 3 свыше 600 ᵒC вызывает менее существенные потери веса. Следовательно, в цементном камне образца № 3 кристаллизуется меньшее количество гидросиликатов кальция.
Таблица 2
Потеря массы образцами цементного камня при нагревании
Количество добавки, масс. % | Физически связанная вода | Химически связанная вода | Разложение Ca(OH)2 | Разложение C-S-H и кальцита |
0,005 + ММА | 6 | 6 | 5,5 | 2,8 |
1 без ММА | 6,5 | 6,7 | 6,4 | 2,2 |
контр. | 8 | 4,2 | 6,5 | 2,1 |
В цементном камне на растворе С-3, активированном в течение 2 мин, образуется самое большое количество гидросиликатов кальция при наименьшем количестве портландита, что является свидетельством наиболее полной гидратации цемента и хорошего связывания кальция в цементной матрице. Увеличение количества добавки и отсутствие жидкофазной активации способствует замедлению связывания кальция в гидросиликаты, однако не ухудшает структуру порового пространства и не изменяет плотность цементного камня.
Сопоставление дифракционных отражений образцов № 1 (на активированном в течение 120 сек растворе С-3, 0,005 % массы цемента) и № 2 (на не активированном растворе С-3, 1 % массы цемента), представленных на рис. 3, позволило установить идентичность состава фаз в обоих образцах. Однако интенсивность рефлексов установленных фаз в некоторых случаях значительно различалась.
Рис. 3. Дифрактограммы образцов цементного камня:
- – на ММА растворе С-3 (0,005 % массы цемента);
- – на не активированном растворе С-3 (1 % массы цемента)
Отражения портландита dn = (4,933; 2,63; 1,93; 1,804 Å) в пробе цементного камня на ММА-растворе суперпластификатора представлены в большем наборе, чем в пробе на не активированном растворе С-3 (1 % от массы цемента), в которой можно выделить только три пика dn = (4,91; 2,63; 1,805 Å). При этом на дифрактограмме образца на активированном растворе рефлекс 4.933 Å имеет меньшую интенсивность, а рефлекс 2,63 Å большую, чем на дифрактограмме не активированного образца. Из этого следует, что в цементном камне в результате механомагнитной активации образуется большее количество кристаллов портландита, имеющих меньшие размеры, но общее количество портландита, согласно данным термогравимтрического анализа, оказывается меньше, чем в образце на не активированном растворе. Таким образом, можно утверждать, что механомагнитная активация способствует лучшей кристаллизации и равномерному распределению кристаллов по размерам при одновременном снижении размеров кристаллов.
Линии кальцита dn = (3,04; 2,283; 1,925 Å) имеют несколько большую интенсивность на дифракто-грамме образца № 1 на ММА-растворе С-3, что также указывает на более высокую степень закристаллизованности данного вещества.
Поскольку некоторые отражения, приписываемые гидросиликатам кальция, накладываются на линии кварца, кальцита или алита, то данную фазу идентифицировали по рефлексам dn = (3,59; 3,304; 3,248; 3,19; 2,784; 2,756; 2,697; 2,614; 2,37; 2,32; 2,189; 2,067; 1,804; 1,769; 1,45; 1,419; 1,229 Å) в образце на ММА-
растворе и по рефлексам dn = (4,21; 3,309; 3,287; 3,236; 3,185; 2,781; 2,748; 2,699; 2,6079; 2,32; 2,185; 2,155;
2,065; 1,805; 1,765; 1,45; 1,228 Å) в образце на не активированном растворе суперпластификатора. В отношении фазы C-S-H следует отметить, что интенсивность большинства ее линий в образце № 1 выше, чем в образце № 2. Таким образом, учитывая данные ДТГА, можно констатировать, что механомагнитная активация приводит к образованию в цементном камне большего количества как высокоосновных, так и низкоосновных гидросиликатов кальция.
Линия 1,66 у пробы № 1, относящуюся к моносульфогидроалюминату, имеет несколько большую интенсивность по сравнению с пробой № 2, что может указывать на некоторое повышение скорости гидратации.
Aft-фаза – эттрингит – идентифицирована по пикам dn=(3,59; 3,193; 2,756; 2,697; 2,61; 2,189; 2,067 Å). На дифрактограмме образца № 2 отсутствует пик 3,60, а интенсивности остальных пиков сопоставимы с интенсивностями соответствующих пиков дифрактограммы пробы № 1. Данный факт свидетельствует о подавлении роста игольчатых кристаллических образований и недостаточном армирующем действии эттрингита в цементном камне образца № 2 за счет блокирующего действия добавки.
Следовательно, на основании проведенного качественного рентгенофазового анализа можно сделать вывод о повышении однородности структуры цементной матрицы за счет лучшего связывания кальция в гидросиликаты кальция в случае использования активированного раствора суперпластификатора для за-творения цементного теста.
Таким образом, применение ММА позволяет изменить степень дисперсности твердого компонента добавки, повысить долю нанополимерных волокон, регулируя таким способом межфазное взаимодействие в цементной системе и обеспечивая усиление технологических эффектов добавки.
Список литературы
1. Баженов Ю.М. Пути развития строительного материаловедения: новые бетоны // Технологии бетонов. 2012. № 3–4. С. 39–43.
2. Изотов В.С., Ибрагимов Р.А. Влияние некоторых гиперпластификаторов на основные свойства цементных композиций // Строительные материалы. 2010. № 11. С.14–17.
3. Батраков В.Г. Модификаторы бетона: новые возможности и перспективы // Строительные материалы. 2006. № 10. С. 4–7.
4. Китамура М., Камитани М., Сенна М. Быстрое твердение цемента путем добавления механически активированной смеси Al(OH)3–Ca(OH)2 // J. Amer. Ceram. Соч. 2000. Т. 83, № 3. С. 923-927.
5. Бердов, Г.И. Влияние минеральных микронаполнителей на свойства строительных материалов / Г.И. Бердов, Л.В. Ильина, В.Н. Зырянова, Н.И. Никоненко, В.А. Сухаренко // Строительные материалы. 2012. № 9. С. 79–83.
6. Каприелов С.С., Шейнфельд А.В., Дондуков В.Г. Цементы и добавки для производства высокопрочных бетонов // Строительные материалы. 2017. № 11. С. 4–10.
7. Далас Ф., Пурше С., Ринальди Д., Нонат А., Сабио С., Моске М. Изменение скорости образования и площади поверхности эттрингита с помощью поликарбоксилатных эфирных суперпластификаторов при ранней гидратации C3A – CaSO4 // Исследования цемента и бетона. 2015. № 69. С. 113-115
8. Траутваин А.И., Ядыкина В.В., Гридчин А.М. Повышение реакционной способности наполнителей в результате помола // Строительные материалы. 2010. № 12. С. 82–85.
9. Королев Е.В., Иноземцев А.С. Эффективность физических воздействий для диспергирования наноразмерных модификаторов // Строительные материалы. 2012. № 4. C. 76–79.
10. Федосов С.В., Акулова М.В., Слизнева Т.Е Паходин В.А., Касаткина В.И. Определение технологических параметров механомагнитной активации водных систем с пластифицирующей добавкой // Строительные материалы. 2010. № 3. С. 49–51.
11. Редуан Мгаюини (Redouane Mghaiouini) Разработка и физико-механические характеристики нового композиционного материала для экологических растворов на основе намагниченной воды и золошлаковой крошки // J. Ecol. Eng. 2020. Т. 21, N 4. С. 245-254.
12. Малати Р., Нараянан К., Маякришнан П. Эксплуатационные характеристики предварительно напряженных бетонных балок с использованием магнитной воды для перемешивания бетона // Journal of Adhesion Science and Technology. 2022. Т. 36, N 6. Номер статьи 1936383.
13. Сонг Х.В., Чжао С.Ю. Влияние добавок, обработанных магнитным полем, на бетон // Advanced Materials Research. 2011. Т. 287-290. С. 934-938.
14. Дхармарадж Р., Арунвивек Г.К., Картик А., Моханавел В., Перумал Б., Раджкумар С. Исследование механических свойств и долговечности бетона, смешанного с водой, при воздействии магнитного поля // Достижения гражданского строительства. 2021. V. 2021, Артикул 2821419. 14 стр.
15. Горленко Н.П., Саркисов Ю.С., Субботина Н.В. Активация процессов структурообразования в цементных системах магнитным полем // Инорг. Матер. Приложение 2019. Т. 10, N 1. С. 237-241.
16. Юдаев В.Ф. Гидромеханические процессы в роторных аппаратах с модуляцией проходного сечения потока обрабатываемой среды // Теоретические основы химической технологии. 1994. Т. 28, № 6. С. 581–590.
17. Промтов М.А. Пульсационные аппараты роторного типа: теория и практика. М.: Машиностроение-1, 2001. 260 с.
18. Дубровская О.Г., Кулагин В.А., Сапожникова Е.С., Ли Ф.-Ч., Ли К., Чжижен Ю. Математическое моделирование кавитационных процессов при кондиционировании промышленных сточных вод // Вестник Сибирского федерального университета. Техника и технологии. 2015. Т. 3, N 8. С. 369-376.
19. Ван З., Аярза Дж., Эссер-Кан А.П. Механически инициируемая объемная свободнорадикальная полимеризация // Angew. Химия. Международное издание на английском языке. 2019. Т. 58, N 35. Р. 12023-12026.
20. Акулова М.В., Слизнева Т.Е., Разговоров П.Б., Соколова А.Г. Мелкозернистый бетон на воде затворения, активированной в кавитационном устройстве типа постоянных магнитов // Ключевые инженерные материалы. 2019. Т. 816. Р. 279-284.
21. Сафронов В.Н., Соколова С.Н. Исследование влияния магнитной обработки на свойства керамических материалов // Керамический журнал. 2005. Н л. С. 10-13.
22. Юхневский, П.И. Влияние химической природы добавок на свойства бетонов. Минск: БНТУ, 2013. 310 с.
23. Рамачандран В.С., Пароли Р.М., Бодуэн Дж.Дж., Дельгадо А.Х. Руководство по термическому анализу строительных материалов. Нью-Йорк: Издательство Noyes Publications, издательство Уильяма Эндрю. 2002. 692 стр.
Об авторах
Марина Владимировна АкуловаРоссия
Татьяна Евгеньевна Слизнева
Россия
Юлия Андреевна Соколова
Россия
Алла Германовна Соколова
Россия
Рецензия
Для цитирования:
Акулова М.В., Слизнева Т.Е., Соколова Ю.А., Соколова А.Г. ВЛИЯНИЕ МЕХАНОМАГНИТНОЙ АКТИВАЦИИ РАСТВОРА СУПЕРПЛАСТИФИКАТОРА С-3 НА ПРОЦЕССЫ ФАЗООБРАЗОВАНИЯ В МЕЛКОЗЕРНИСТОМ БЕТОНЕ. Известия Кабардино-Балкарского государственного университета. 2022;12(4):44-50.
For citation:
Akulova M.V., Slizneva T.E., Sokolova J.A., Sokolova A.G. THE IMPACT OF MECHANOMAGNETIC ACTIVATION OF THE SUPERPLASTICIZER C-3 SOLU-TION ON THE PROCESSES OF PHASE FORMATION IN FINE GRAIN CONCRETE. Proceedings of the Kabardino-Balkarian State University. 2022;12(4):44-50. (In Russ.)
JATS XML


