CC BY
0
УДК 666.9
ао1: 10.48612/ашШ/2024_50_29-33
СРАВНЕНИЕ АКТУАЛЬНЫХ МЕТОДОВ АКТИВАЦИИ ВОДНО-ЦЕМЕНТНЫХ СУСПЕНЗИЙ ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ БЕТОНОВ
Р. Р. Шарапов А. А. Парусов
Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет (НИУ МГСУ), г. Москва
Аннотация
Авторами выполнен анализ релевантных методов улучшения свойств современных бетонов. В статье рассмотрены различные методы механоактивации бетонов, выявлены преимущества и недостатки предложенных вариантов воздействия на водно-цементную суспензию. Описан принцип работы установки для ультразвуковой обработки суспензий и преимущества ее применения по сравнению с остальными методами активации
Ключевые слова
бетоны, химические добавки, механическая активация, гидродинамическая активация, ро-торно-пульсационный аппарат, ультразвуковая активация
Дата поступления в редакцию
05.02.2024
Дата принятия к печати
15.02.2024
Введение
В последние годы в Российской Федерации наблюдается существенный рост потребления цемента, в разрезе 2018 - 2022 года он составляет 47%: с 34 до 50 млн м3. По оценкам экспертов на весну 2023 года спрос вырос еще на 12% по сравнению с аналогичным периодом 2022 года [1]. Такие показатели обусловлены реализацией государственных программ, в том числе: реновацией жилого фонда, комплексным освоением территорий, строительством цементобетонных дорог, а также достижением целей национального проекта «Жилье и городская среда». Немаловажными факторами является увеличение объемов малоэтажного строительства, активное возведение и восстановление зданий на новых территориях. Как отмечают аналитики, в связи с выраженной сезонностью строительства, особенно в северных регионах, загрузка цементных, а также бетонных заводов достаточно скачкообразна. Основная деятельность осуществляется в теплое время года, в высокий сезон заводы загружены на полную мощность, часто ресурсов недостаточно. Для компенсации недостающих ком-
03
г
м О
-I
м
Э СО
I
о
г ^
0 и
га
и
£
га
Я °
О 4
и о < 2
С х
< I . л
< 5
со >
О
га а;
1
Щ
I
и & га . а а и
<
а <
3
понентов бетонов производители вынуждены в частности импортировать цемент из Белоруссии, Ирана, Казахстана и Турции.
Основная часть
Помимо сезонного ажиотажа на сам цемент, резко возрастает потребность в специальных модифицирующих добавках, которые стали уже неотъемлемым компонентом любого бетона. Применение таких добавок особенно важно при изготовлении монолитных, сборных и железобетонных высокопрочных бетонных конструкций, имеющих повышенные требования к прочности, надежности и долговечности [2].
Наиболее широкое распространение получили пластифицирующие добавки, которые позволяют за счет снижения водоцементного соотношения при заданной подвижности бетонной смеси существенно повышать прочность и долговечность бетонных конструкций и изделий. Пластификаторы относятся к поверхностно-активным добавкам (ПАВ) и выпускаются в виде порошкообразных сухих смесей или в виде жидких суспензий, которые при добавлении к остальным компонентам смеси образуют нейтральные или слабощелочные соединения, регулирующие удобоукладываемость (подвижность) бетонных растворов [3].
Несомненно, применение химических добавок позволяет получить высококачественные бетоны с прогнозируемыми характеристиками и свойствами. Но стоит также отметить, что в реальной промышленной обстановке расчет, подбор и точное дозирование химических добавок требует применения высокоточного и дорогостоящего оборудования. Также требуется высококвалифицированный персонал. Все эти факторы существенно сказываются на конечной стоимости бетона для потребителя. В настоящее время негативный экономический эффект от применения химических добавок ощущается еще сильнее. Причин для этого несколько — напряженная международная обстановка и, в том числе, нарушение выстроенных логистических цепочек, изменение рынка — уход ряда ведущих иностранных компаний (нередко вместе с оборудованием и запатентованными технологиями). Отечественная химическая промышленность в ускоренном темпе налаживает собственное производство, но многое сырье по-прежнему является импортным. Наряду с этим многие промышленные предприятия не подготовлены к изменяющимся внешним факторам и нуждаются в доработке производственных линий специальным оборудованием для дозированной подачи добавок в соответствии с этапами технологических процессов.
С учетом вышесказанного, увеличение потребности в высококачественных бетонах вынуждает промышленность наращивать производственные мощности, а также модернизировать производство. Поиск альтернативных методов улучшения свойств бетонных и растворных смесей является ключевой задачей отечественной бетонной промышленности.
Одним из наиболее актуальных вариантов решения данной проблемы является модифицирование свойств композиций цемента с растворителями, в частности применение физико-механических воздействий с целью повышения активности компонентов смеси. Механическая активация водно-цементных растворов, основана на комбинированном воздействии импульсного и локального характера на вещество, в том числе давления и/или сдвига с целью изменения размеров частиц этого вещества. В процессе обработки возникает выделение тепла, образование как дефектов на существующей поверхности, так и образование новых активных поверхностей, а также его аморфизация [4, 5]. Первые упоминания методов механической активации водно-цементных суспензий, а также воды затворения описаны в научных работах начала прошлого века. С тех пор было разработано множество новых методов, рассмотрим наиболее релевантные и выделим их конкурентные преимущества.
В настоящее время активно ведется разработка и внедрение в технологические линии различных установок для гидродинамической активации водно-цементной суспензии в процессе приготовления бетонного раствора. Такой метод обработки реализуется с использованием роторно-пуль-сационных аппаратов [6]. Конструктивно такой аппарат состоит из асинхронного электродвигателя и закрепленного на выходном валу рабочего механизма, включающего в себя корпус с ротором и статором с проточенными каналами. Подача обрабатываемого материала в рабочую зону осуществляется через входной патрубок, обработанный материал выводится с помощью выходного патрубка. В процессе обработки исходный материал подается под давлением в рабочую полость установки, где с периодичностью каналы статора совмещаются с каналами ротора. При их взаимном перекрытии образуется импульсный скачок давления, а при взаимном наложении сброс давления в канал статора. Образовавшийся объем обрабатываемого материала под давлением проходит через открывшиеся каналы, при этом инерционные силы под действием импульса пониженного давления создают растягивающие напряжения, в результате чего образуется эффект кавитации [7].
При обработке вещества возникает механическое, гидродинамическое и гидроакустическое воздействие. Первое происходит за счет удара, среза и истирания, возникающего при контакте водно-цементной суспензии с поверхностями ротора и статора в форме диска с каналами. Второе вызвано турбулентностью пульсации давления и изменяющейся скоростью потока вещества. Гидроакустическое воздействие обусловлено изменением давления, кавитацией, вихреобразовани-ем, а также прочими видами нелинейных гидроакустических эффектов.
Такой метод улучшения свойств водно-цементных суспензий нашел свое отражение во множестве актуальных научных исследованиях. как подчеркивают авторы, его ключевым преимуществом является высокая эффективность обработки, но в то же время к недостатками можно отнести сложности с подбором времени и интенсивности обработки материала, сравнительно сложное прогнозирование выходных свойств бетонов отличающихся марок. Существующие исследования в большей степени основаны на экспериментальном определении характеристик обработанного материала, чаще в лабораторных условиях, в связи с этим эффективность применения таких установок в реальных промышленных условиях требует дополнительного изучения, особенно при работе с абразивными материалами.
При ультразвуковом воздействии на водно-цементную суспензию возникает эффект кавитации (холодного кипения), который сопровождается появлением микротрещин в структуре цементного камня и, в частности, измельчением твердых частиц цемента. Схожее воздействие на обрабатываемый материал не удается выполнить ни при высокоскоростном перемешивании, ни при низкочастотной вибрации. Положительный эффект от такого метода активации основан на пептизации коллоидных частиц и измельчении полнокристаллических агрегатов в результате их соударения под действием ультразвуковых колебаний, процесс сопровождается возникновением парогазовых пузырей воздуха, которые способны накапливать энергию при расширении и высвобождать ее при сжатии [8]. Такой метод активации, является одним из наименее изученных ввиду того, что ранее не были доступны аппараты для ультразвуковой обработки материалов высокой мощности. Поскольку водно-цементная суспензия является вязкой средой, то при воздействии низкой интенсивности не возникает кавитация, а также ударные волны с коммулятивными струями. Для решения поставленной задачи наибольшую эффективность показывают специальные ультразвуковые установки проточного типа, способные создавать колебания высокой интенсивности (более 4...10 Вт/см2) [9].
Работы В. Н. Хмелева, Р. Н. Голых, Р. В. Барсукова и др. позволяют говорить о том, что при точном подборе времени и интенсивности обработки материала возможно получить наилучшие характеристики как водно-цементной суспензии, так и существенно улучшить характеристики бетона [10].
Применение метода ультразвуковой активации в процессе производства бетонных растворов и смесей позволяет уменьшить расход цемента при сохранении марки (класса прочности) бетона, что обусловлено измельчением частиц цемента, получением его более однородного зернового соста-
03
г
м О
-I
м
Э СО
I
о
г ^
0 и
га
и
£
га
Я °
О 4
и о < 2
С х
< I . л
< £ со >
О
га а;
1
Щ
I
и & га . а а и
<
а <
3
ва с преобладающим количеством частиц среднего размера. В результате образуются новые активные поверхности и центры кристаллизации, ускоряется гидратация, а, следовательно, время схватывание и набора прочности бетонов.
Выводы
Темпы строительства зданий и сооружений в Российской Федерации предопределяют активное развитие бетонной промышленности. Использование химических добавок с одной стороны позволяет получить высокие характеристики бетонов, но с другой стороны вынуждает изменять существующие технологические процессы, устанавливать дорогостоящее оборудование. Также по-прежнему актуальна зависимость отрасли от импортных компонентов, существенно влияющих на стоимость бетона для потребителя.
Одним из наиболее релевантных методов решения такой проблемы является механическая активация. Роторно-пульсационные аппараты показывают высокие результаты в обработке материалов, но для высокодисперсного цемента с большим количеством твердых частиц их работа затруднена — этот факт обусловлен конструкцией установки и в частности ротора со статором, имеющих тонкие прорези, подверженные сильному износу.
Наиболее современным и перспективным методом обработки водно-цементных суспензий является ультразвуковые установки, способные обеспечить ультразвуковое воздействие высокой интенсивности. При воздействии на водно-цементную суспензию в проточной установке предложенной конструкции удается достигнуть существенного улучшения структуры материала, за счет измельчения крупных частиц и образования новых непрореагировавших ранее поверхностей. Такие установки (по сравнению с роторно-пульсационными аппаратами) имеют меньшие габариты, за счет применения волновода с титановым покрытием меньше подвержены износу, а также обладают большей производительностью. Их применение в промышленности позволит снизить потребление цемента, повысить качество бетонных и растворных смесей, а также увеличить срок службы монолитных, сборных и железобетонных конструкций.
Библиографический список
1. Д.Д.Кенчадзеи др. Строительство в России. 2022 [Электронный ресурс]: Стат. сб./ Росстат. — М., 2022. — 148 с. — Режим доступа: https://rosstat.gov.ru/storage/mediabank/Stroit_2022.pdf
2. Майоров А. Г., Нурмагомедов Ш. А. Модифицирующие добавки для бетона: виды, применение // Актуальные исследования. 2022. №50 (129). Ч.1. С. 63 - 70.
3. Вишневский, В. И. Супер- и гиперпластификаторы для бетонов нового поколения / В. И. Вишневский, Е. А. Шкред. — Текст: непосредственный // Технические науки в России и за рубежом : материалы VII Междунар. науч. конф. (г. Москва, ноябрь 2017 г.). — Москва : Буки-Веди, 2017. — С. 99 - 102.
4. Федюк, Р. С. Современные способы активации вяжущего и бетонных смесей (обзор) / Р. С. Федюк, А. В. Мочалов, В. С. Лесовик // Вестник Инженерной школы Дальневосточного федерального университета. —2018. — № 4(37). — С. 85 - 99.
5. Qian, J. Activation of blended cements containing fly ash / J. Qian, C. Shi, Z. Wang // Cement and Concrete Research. — 2001. — Vol. 31, No. 8. — P. 1121 - 1127.
6. М. А. Чурюкин, Д. А. Зорин, А. В. Хамутаев Повышение активности цемента при гидродинамической активации // Успехи в химии и химической технологии. 2018. № 2 (198). С.185 - 187.
7. Горн, К. С. Особенности гидратации цементной композиции, активированной в роторно-пуль-сационном аппарате / К. С. Горн, А. В. Викторов // Ползуновский вестник. — 2011. — № 1. — С. 56 - 58.
8. Парусов, А. А. Технологическая установка для ультразвуковой активации водно-цеметной суспензии / А. А. Парусов, М. А. Богданов, В. В. Шумов // Подъёмно-транспортные, строительные, дорожные, путевые, мелиоративные машины и робототехнические комплексы—Москва: Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет, 2023. — С. 189 - 192.
9. Шарапов, Р. Р. Прогнозирование дисперсных характеристик высокодисперсных цементов / Р. Р. Шарапов, В. Г. Шаптала, Н. И. Алфимова // Строительные материалы. — 2007. — № 8. — С. 24 - 25.
10. Повышение эффективности ультразвуковой кавитационной обработки вязких и дисперсных жидких сред / В. Н. Хмелев, С. С. Хмелев, Р. Н. Голых, Р. В. Барсуков // Ползуновский вестник. — 2010. — № 3. — С. 321 - 325.
ACTUAL METHODS OF ACTIVATION OF WATER-CEMENT SUSPENSIONS IN CONCRETE PRODUCTION
R. R. Sharapov A. A. Parusov
Moscow State University of Civil Engineering (National Research University) (MGSU), Moscow
О
са
1-
и
-Û
с;
ш
1-
S
О
а
1-
и 5
О
Z
м
Û
-1
M
Э
CÛ
Abstract
The authors analyzed relevant methods for improving the properties of modern concrete. The article discusses various methods of mechanical activation of concrete, identifies the advantages and disadvantages of the proposed options for exposure to water-cement suspension. The principle of operation of the installation for ultrasonic treatment of suspensions and the advantages of its use in comparison with other activation methods are described.
The Keywords
concretes, mortars, chemical additives, mechanical activation, hydrodynamic activation, rotary pulsating apparatus, ultrasonic activation
Date of receipt in edition
05.02.2024
Date of acceptance for printing
15.02.2024
Ссылка для цитирования:
Р. Р. Шарапов, А. А. Парусов. Сравнение актуальных методов активации водно-цементных суспензий при производстве бетонов. — Системные технологии. — 2024. — № 1 (50). — С. 29 - 33.
I
0
1
0 U
s s J га u s
£ га
Я °
О 4
и о < 2
С х ^ -0
< I . л
< S
са >
О
га
а; s
1 (U I U
il га . а о. и
<
а <
3
