Бетони з використанням цементної суспензії, активованої в електромагнітному полі

Abstract

UK: Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук (доктора філософії) за спеціальністю 05.23.05 - будівельні матеріали та вироби (19 – Архітектура та будівництво). – Державний вищий навчальний заклад «Придніпровська державна академія будівництва та архітектури» Міністерства освіти і науки України, Дніпро, 2020. Дисертація присвячена розробці технології цементуючої системи-концентрованої цементної суспензії з підвищеною ранньою міцністю за рахунок комплексної активації цементу ПЦ II/ Б-Ш-400 розчином Са(ОН)2, що містить іони Са2+, ОН-, Н+, а також наночастинки Са(ОН)2 і обробкою в змінному електромагнітному полі, а на її основі важких цементних бетонів, з покращеними фізико-механічними властивостями, що забезпечують технічні і економічні переваги бетонів для монолітного будівництва середніх класів по міцності з використанням звичайного цементу ПЦ II/ Б-Ш-400. При виготовленні бетонної суміші заповнювачі замішуються комплексно активованою концентрованою цементною суспензією, а потім в бетонну суміш вводиться пластифікуюча добавка. Проведений аналітичний огляд літературних джерел, присвячених питанням отримання бетонів з покращеними властивостями при використанні цементів з пониженим вмістом клінкеру, а також розглянуті способи активації цементуючих систем, які дозволяють підвищити їх міцність і міцність бетонів з їх використанням, визначені теоретичні основи проведення досліджень, що полягають в наступному: при обробці води в змінному електромагнітному полі в результаті прецесії Лармора проходить часткове руйнування структури води до утворення молекул і змінюється константа дисоціації молекул води, що збільшує в ній 3 кількість іонів ОН- і Н+. Останні є більш рухомими і швидше проникають в дефекти поверхні зерен цементу, підвищуючи розчинність, диспергацію і ступінь гідратації в’яжучого. При обробці цементуючої системи – концентрованої цементної суспензії, в змінному електромагнітному полі відбувається прецесія зовнішніх електронних хмар в молекулах води, і вони набувають індукований магнітний момент, перпендикулярний напрямку магнітного поля. При цьому енергія водневих зв'язків змінюється, що призводить до їх часткового розриву і зміни структури води. Зміні піддається не тільки структура води, але і структура цементних зерен, що включають клінкер і шлак. Це приводить до зниження міцності зв’язків -Ме-О-. При цьому, за рахунок підтримуваного наночастинками Са(ОН)2 високого вмісту в рідкій фазі іонів Са2+, Н+, ОН- інтенсифікуються: розчинення, диспергація ослаблених зв’язків поверхневих мінералів і їх гідратація з утворенням більшої кількості гідросилікатів і гідроалюмінатів кальцію, електростатичних, водневих контактів в одиниці об’єму твердої фази цементуючої системи. Це призводить до підвищення міцності цементного каменю і бетону, як в ранньому віці, так і в нормативному. Приведені характеристики вихідних матеріалів, описані основні методи досліджень, використаних в роботі. Приведені результати розробки і дослідження цементуючої системи з підвищеною ранньою міцністю і міцністю в нормативному віці. Визначені раціональні параметри обробки цементуючої системи в змінному електромагнітному полі: напруженість поля Н=1,7·105 А/м, час обробки цементуючої системи (концентрованої цементної суспензії) t = 30 с. Виявлено, що активація цементу розчином Са(ОН)2 найбільш інтенсивно збільшує ріст рН і χ в перші 120 хвилин, що зв’язано зі збільшенням в рідкій фазі твердіючої системи іонів. Ще більшою мірою збільшуються рН і χ при додатковій активації цементуючої системи в змінному електромагнітному полі. 4 Встановлено, що активація цементуючої системи розчином Са(ОН)2 підвищує її міцність в результаті твердіння у віці 2 діб на 14,3 %, а сумісно з обробкою в змінному електромагнітному полі на 28 %, і, відповідно, у віці 28 діб на 28 % і 20,3 %, в порівнянні з бетоном на неактивованому цементі. Фізико-хімічними методами встановлено, що міцність цементуючої системи при її комплексній активації підвищується за рахунок збільшення вмісту в ній, в результаті твердіння, гідросилікатів кальцію і зниження вмісту гідроксиду кальцію. При проектуванні складів бетонів для монолітного будівництва С20/25 S4, С25/30 S4 був прийнятий трифракційний склад щебеню. Мінімалізація його пустотності проводилась по найбільшій насипній щільності з використанням математичного методу планування експерименту на симплексі. Було виявлено оптимальний зерновий склад крупного заповнювача за допомогою симплекс-решітчастого методу, склад якого: фракція 10-20 – 55 %; фракція 5-10 – 25 %; фракція 2,5-5 – 20 %, а також оптимальний вміст піску, що становить 36 % від загальної маси заповнювача, що дозволяє отримати найбільш щільну упаковку. Встановлено, що міцність бетону у віці 2 діб при використанні цементу, активованого розчином Са(ОН)2, підвищується при його вмісті 300-500 кг/м3 на 14,2 % і практично не залежить від вмісту цементу, а при комплексній активації відповідно на 33,2 %. У віці 28 діб міцність бетону при активації цементу Са(ОН)2 підвищується на 9,8 %, а при комплексній активації на 17,5 %. Введення в склад бетонної суміші пластифікуючої добавки СП-3 в кількості 0,5 % від вмісту цементу сповільнює процес схоплювання і збільшує збереження марки бетонної суміші по рухомості S4 до 2,5 годин. Міцність бетону при цьому, у віці 2 діб, при спільній дії з комплексно активованою цементуючою системою і пластифікатором збільшилась на 39,7 %, як при витратах цементу 300 кг/м3, так і при вмісті цементу 500 кг/м3. 5 Міцність бетону у віці 28 діб підвищується при спільній дії комплексної активації, водоредукуючого ефекту і блокуючої дії добавки при вмісті цементу 300 кг/м3 – на 33,7 % і при вмісті цементу 500 кг/м3 – на 28 %. Визначено, що блокуюча дія добавки в контактах різного рівня підвищується зі збільшенням вмісту цементу в бетоні і віку бетону. Показано, що бетонні суміші з використанням концентрованої цементної суспензії, активованої розчином Са(ОН)2, оброблені в змінному електромагнітному полі з наступним замішуванням з заповнювачами і пластифікатором, характеризуються підвищенням рухомості, життєздатності, зменшенням розшаровуваності, а бетони класу С20/25 характеризуються витратами цементу, відповідно 350 кг/м3, морозостійкістю F300, та водопоглиненням W8, а для класу С25/30 – витратами цементу 415 кг/м3, морозостійкістю F300 та водопоглинанням W8. Бетон з використанням комплексної активації цементуючої системи розчином Са(ОН)2 і обробкою в змінному електромагнітному полі з введенням пластифікуючої добавки СП-3 характеризується низьким водопоглинанням 2,95 % і усадкою 0,35 мм/м., у віці 90 діб та підвищеною морозостійкістю. Проведена апробація отриманих результатів в промислових умовах. Випущена дослідна партія бетону показала ефективність застосування обробки концентрованої цементної суспензії, що включає розчин Са(ОН)2 в змінному електромагнітному полі. Під час дослідно-промислової перевірки отриманих результатів досліджень на виробництві ПП «Експрес-буд» (м. Дніпро) була виготовлена партія товарного бетону на концентрованій цементній суспензії, обробленій в змінному електромагнітному полі, класу С20/25 S4 та С25/30 S4 (ГОСТ 26633-91) об’ємом по 600 м3 кожного. З допомогою техніко-економічного розрахунку приготування бетонів на концентрованій цементній суспензії, активованій розчином Са(ОН)2 і обробленій в змінному електромагнітному полі з СП-3 досягнуто 6 економічний ефект на 1 м3 для С20/25 S4–156,68 грн і для С25/30 S4–32,05 грн, а також орієнтовного загального ефекту від випуску дослідної партії бетону за місяць, що становить для С20/25 S4 – 240042 грн і для С25/30 S4 – 34402,5 грн відповідно, за рахунок зниження витрат цементу. Теоретичні і практичні результати роботи впроваджено в навчальний процес при викладанні дисципліни «Інноваційні технології виготовлення сучасних будівельних матеріалів і виробів» для студентів спеціальності 192 «Будівництво та цивільна інженерія».

EN: Thesis for getting the scientific degree of the candidate of technical sciences according to the specialty 05.23.05 – building materials and products. – State higher educational Institution «Prydniprovska state academy of civil engineering and architecture» of the Ministry of education and science of Ukraine, Dnipro, 2020. The thesis is devoted to the development of the technology of cementing system of the concentrated cement suspension with the increased early strength due to complex activation of cement CEM II/B-P-32,5R by Са(ОН)2 solution consisting ions of Са2+, ОН-, Н+ as well as nanoparticles of Са(ОН)2 and processing in an alternating electromagnetic field, and on its basis of heavy cement concrete with improved physical and mechanical properties, providing technical and economic advantages of concrete for monolithic construction of middle classes in strength using conventional cement CEM II/B-P-32,5R. While the manufacturing the concrete mix aggregates are mixed with a complex activated concentrated cement suspension and then a plasticizing additive is introduced into the concrete mix. An analytical review of the literature on the production of concretes with improved properties using cements with low clinker content, as well as methods of activating the cementing systems that increase their strength and the strength of concrete was carried out, the theoretical basis for research were identified, which is as follows: during water treatment in an alternating electromagnetic field as a result of Larmor's precession there is a partial destruction of the water structure before the formation of molecules and the dissociation constant of water molecules changes, which increases the number of ОН- and Н+ ions. The latter are more mobile and penetrate faster into the defects of the surface of cement grains, increasing the solubility, dispersion and hydration of the binder. When processing a cementing system (a concentrated cement suspension) in an alternating electromagnetic field there is a precession of external electron clouds in water molecules, and they acquire an induced magnetic moment perpendicular to the direction of the magnetic field. The energy of hydrogen bonds changes, which leads to their partial rupture and changes in the structure of water. Not only the structure of water changes, but also the structure of cement grains, including clinker and slag. This reduces the strength of the Ме-О- bond. In this case, dissolution, dispersion of weakened bonds of surface minerals and their hydration with the formation of more hydrosilicates and hydroaluminates of calcium, electrostatic, hydrogen contacts per unit volume of solid phase of the cementing system are intensified due to the high content of Са2+, Н+, ОН- ions in the liquid phase maintained by Са(ОН)2 nanoparticles. This leads to the increased strength of cement stone and concrete, both at an early age and in the normative. The characteristics of the source materials are given, the main research methods used in the work are described. The results of development and research of the cementing system with the increased early durability and durability at normative age are given. Rational parameters of cementing system treatment in alternating electromagnetic field are determined: field strength of Н=1,7·105 А/m, processing time of the cementing system (concentrated cement suspension) of t = 30 s. It was found that the activation of cement with a solution of Ca(OH)2 most intensely increases the growth of pH and χ in the first 120 minutes, which is due to the increase in the liquid phase of the hardening system of ions. The pH and χ increase even more with the additional activation of the cementing system in an alternating electromagnetic field. It was found that the activation of the cementing system with a solution of Ca(OH)2 increases its strength by 14.3% as a result of hardening at the age of 2 days, and by 28% in combination with treatment in an alternating electromagnetic field and, accordingly, by 28 % and 20.3% compared with concrete on non-activated cement at the age of 28 days. Using physical and chemical methods it was established that the strength of the cementing system during its complex activation increases due to the increase of calcium hydrosilicates and decrease in the content of calcium hydroxide in its content, as a result of hardening. When designing concrete compositions for monolithic construction C20/25 S4, C25/30 S4, a three-fractional composition of crushed stone was adopted. Minimization of its void content was carried out at the highest bulk density using the mathematical method of planning an experiment on a simplex. The optimal grain composition of a large aggregate was revealed using the simplex-lattice method, the composition is 55% of 10-20 fraction; 25% of 5-10 fraction; 20% of 2.5-5 fraction. The optimal sand content was revealed, which is 36% of the total weight of the aggregate, which allows obtaining the densest packaging. It is established that the strength of concrete at the age of 2 days when using cement activated by a solution of Ca(OH)2 increases by 14.2% at its content of 300-500 kg/m3 and does not depend on the cement content, and by 33,2% with complex activation, respectively. At the age of 28 days, the strength of concrete with the activation of cement Ca(OH)2 increases by 9.8% and by 17.5% with complex activation. The introduction into the concrete mixture of plasticizing additive SP-3 in the amount of 0.5% of the cement content slows down the setting process and increases the retention of the flow grade of the concrete mixture of S4 to 2.5 hours. The strength of concrete at the age of 2 days, when combined with a complex activated cementing system and plasticizer increased by 39.7%, both at a cement consumption of 300 kg/m3 and at a cement content of 500 kg/m3. The strength of concrete at the age of 28 days increases with the combined action of complex activation, water-reducing effect and blocking action of the additive, respectively, by 33.7% at a cement content of 300 kg/m3 and by 28% at a cement content of 500 kg/m3. It was determined that the blocking effect of the additive in the contacts of different levels increases with the increasing of cement content in concrete and the age of concrete. It is shown that concrete mixtures using a concentrated cement suspension activated by a solution of Ca(OH)2 and treated in an alternating electromagnetic field followed by mixing with aggregates and plasticizer, are characterized by increased flow rate, reduction of stratification; C20/25 class concretes are characterized by cement consumption of 350 kg/m3, frost resistance of F300 and water absorption of W8; respectively, C25/30 class concretes are characterized by cement consumption of 415 kg/m3, frost resistance of F300 and water absorption of W8. Concrete using complex activation of the cementing system with a solution of Ca(OH)2 and treatment in an alternating electromagnetic field with the introduction of a plasticizing additive SP-3 is characterized by low water absorption of 2.95% and shrinkage of 0.35 mm/m and high frost resistance at the age of 90 days. Approbation of the obtained results in industrial conditions was carried out. The released experimental batch of concrete showed the effectiveness of the treatment of concentrated cement suspension which includes a solution of Ca(OH)2 in an alternating electromagnetic field. During the experimental industrial verification of the obtained research results a batch of ready-mixed concrete was made at the production of PE "Express-Bud" (Dnipro). The concrete batch of C20/25 S4 and C25/30 S4 classes (according to the GOST 26633-91) both with a volume of 600 m3 was prepared on a concentrated cement suspension treated in an alternating electromagnetic field. Using technical and economic calculation of concrete preparation on concentrated cement suspension activated by Ca(OH)2 solution and treated in an alternating electromagnetic field with SP-3, an economic effect per 1 m3 was achieved: for C20/ 25 S4 of UAH 156.68; for C25/30 S4 of UAH 32.05. The estimated total effect from the production of the experimental batch of concrete for the month was obtained: for C20/25 S4 of UAH 240,042; for C25/30 S4 of UAH 34,402. The economic effect is achieved by reducing cement costs. Theoretical and practical results of the work are implemented into the educational process in the teaching of disciplines "Building Materials Science", "Innovative technologies for the manufacturing of the modern building materials and products" for students in specialties of 192 "Construction and Civil Engineering".