Введение к работе
Актуальность работы. Изменение структури и объемов строительства, а также необходимость использования местного некондпционно- го сырья и снижения затрат энергии на всех стсдиях выпуска готовой продукции предполагают создание новых технологий и технических решений в области производства строительных материалов.
Анализ видов и объемов материалов, применяемых в строительстве, показывает, чтси основными остаются изделия, изготовленные с применением цементных композиций (60 - 65 %). Для улучшения качества изделий исходные компоненты подвергают различным модификационным воздействиям, изменяю их энергетическое и вещественное состояние.
При ускорении" "твердения: '"цементных"композиций'" большое внимание~~уделяотся- "свойствам" вод.ьґ7~как"активноМу~"структуро - " -образующему компоненту, восприимчивому к внешним воздействиям на стадии ее .подготовки. Разработка способов подготовки воды и водных растворов, обеспечивающих условия для интенсификации химического взаимодействия ее с вяжущим и поверхностью заполнителя, повышения прочности цементного камня и бетсна, представляет интере при создании прогрессивных технологий строительных материалов.
К наиболее технологичным и легко управляемым способам воздействия на водные растворы следует отнести электрохимическую активацию (ЭХА), которую осуществляют в одно- или двухкамерных электрохимических ячейках постоянного тока. Широкое распространение электрохимического способа подготовки воды в технологии строительных материалов сдерживается в связи с отсутствием адаптированных к стройкн-дустрии электролизеров, практических рекомендаций по режимам подготовки и направленному воздействию продуктов активации на цемент и заполнитель с целью более эффективного использования их потенциальных возможностей. Возможности ЭХА в технологии строительных материалов на основе цемента существенно повышаются в связи с созданием многокамерных электролизеров каскадного типа.
Использование электрохимически активированных водных растворов в технологии изделий из цементных композиций позволяет обеспечить ресурсосбережение за счет снижения расхода вяжущего и вовлечения в производство местных мелкозернистых песков, что расяиряет минерально-сырьевую базу стройиндустрии.
Диссертационная работа посвяшена разработке способа электрохимической подготовки водных растворов" солей в многокамерных мембранных установках постоянного тока и селективного воздействия полученными продуктами активации на компоненты цементных композиций в про-
цессе их приготовления. Исследуемый способ основан на получении за один технологический прием растворов, существенно отличающихся по содержанию ионов, их активности, состоянию ассоциатоз воды (като-лит, аколит, раствор из средней камеры электрохимической ячейки), и избирательном воздействии ими на компоненты (цемент'и заполнитель)-, реализующем механизм когезионного и адгезионного упрочнения по ІІ..У.Сычеву и В.И.Соломатову.
Диссертациоіиая работа выполнена в соответствии с утвержденным научным направлением научно-исследовательского института строительных материалов при Томской государственной архитектурно-строительной академии ^Разработка научных основ подготовки активированных минеральных компонентов к создание искусственных конгломератов". -Результаты, полученные в диссертации, применялись при выполнении госбюджетных тем: "Разработка технологии композиционных материалов с электрохимической модификацией компонентов на основе минерально- . го сырья и"отходов промышленных комплексов Западно-Сибирского региона" - >? Гос.per. 0I9200I3056: "Разработка научных основ и создание технологии применения некондиционных материалов Западно-сибирского региона при производстве строительных материалов" - № Гос. per. OI890088367.
Целью диссертационной работы является разработка научно-обоснованной технологии цементных композиций путем селективного воздействия про,пу:. "ху:л электрохимически активированных водних растворов на цемент ;\ заполнитель в процессе их перемецивания.
Поставленной целью определены следующие задачи исследования:
-
Установить закономерности влияния энергетических параметров и конструктивных особенностей электролизеров на свойства электрохимически активирогаї-іпих водных растворов и обосновать их .выбор для использования в производстве цементных композиций.
-
Исследовать свойства полученных растворов (анолита, к'атолп-та, раствора из средней камеры) от вида к концентрации минеральной добавки, места ее размещения в камерах электролизера и обосновать эффективность их использования в цементных композициях.
3; Исследовать влияние продуктов электрохимической активации на'гидратацию и структурообраэование цементного камня с применением физико-химических методов.
-
Изучить реологические характеристики цементного теста, затворенного продуктами электрохимической активации водных растворов, и определить мєхаі.лческие свойства цементного камня.
-
Исследовать влияние электрохимически активированных водных
5 растворов на свойства крупнозернистых и мелкозернистых бетонов и.: на основании полученных результатов разработать принципы раздельной технологии цементной композиции путем селективного воздействия на ее компоненты продуктами активации.
б. Разработать практические рекомендации и провести их апробация в лабораторных и промышленных условиях.
Научная новизна работы. Установлены научные принципы селективной активации компонентов цементных композиций продуктами электро-хиї.ичєской обработки водных растворов (каголкгом.анолитом,раствором из средней камеры электролизера), на базе которых предложены технологические приемы приготовления бетонной смеси путем обработки цемента и заполнителя продуктами активации в процессе их перемешивания (а. св. & 1593135, 1705266).
Выявлены закономерности влияния плотности тока,времени активации, конструктивных особенностей электролизеров,концентрации и места размещения- вводимой добавки в камерах электролизера на свойства электрохимически активированных водных растворов и на этой основе определены оптимальные режимы ЭХА.Показано,что при ЭХА обеспечивается получение заданных параметров водных растворов в кнгервал_х:рН 1,7... 12,0; ОВП - 0,66...+1,12 В; электропроводность (0,1...40)10-3 См.
Установлены закономерности изменения скорости твердения цементного камня,затворенного продуктами ЭХА. Повышение скорости структу-рообразования цементного камня объясняется увеличением реакционной способности яидкости затворения и,как следствие,степени гидратации цемечга.
Определена взаимосвязь геометрического критерия (.^^/1Q) вводимых добавок электролитов с реологическими характеристиками цементного теста и прочностью цементного камня,что является основой для прогнозирования эффективности применяемых добавок яри ЭХА водных растворов, используемых в технологии бетона.
Объектом исследований в работе служили: физико-химические свойства водных растворов,подвергнутые электрохимической обработке в электролизерах постоянного тока; технологии получения цементных композиций с использованием продуктов электрохимической активации водных растворов и их свойства.
Методы исследоаания. Свойства цемента, заполнителей, бетона и раствора определялись методами, регламентированными соответствующими стандартами. Электрохимическая обработка водных растворов проводилась в лабораторных двух-, грех- и пягикамерных электролизерах постоянного тока. Предел прочности при сжатии образцов он-
редслялся экспериментально на гидравлических прессах. Коэффициент вариации прочности не превышал 12 %.
Результаты испытаний обрабатывались с использованием методов математической статистики.-
При изучении свойств продуктов электрохимической обработки водных растворов и закономерностей структурообразования цементного камня в работе использованы физико-химические методы исследования: рентгенофазовый, термографический, ИК- спектроскопический, кон-дуктоме'трический, рН-метрический, термогравиметрический и химический.
Для исследовании влияния факторов на сзойства продуктов активации водного -раствора и прочность цементного камня использовался метод математического планирования эксперимента.
Достоверность результатов исследований и обоснованность выводов, содержащихся в работе, подтверждаются:
использованием научных принципов строительного материаловедения, объясняющих процессы структурообразования цементных композиций;
соответствием теоретических и экспериментальных данных (с коэффициентом вариации 3-12 %) с другими, известными из-научной и справочной литературы, а такке результата;.!;; лабораторных и опытно-производсті-є-шшг испытаний на Томском заводе КПД;
хорошей сходимостью результатов, полученных с использованием разных методов исследований при изучении процессов структурообразования цементного :;а..'.ня; при определении параметров бетона її раствора, приготовленных не. продуктах электрохимически обработанных водных растворов.
Методология работы основана на классических представлениях процессов активации компонентов и конструирования структуры цементных композиций, развиваемых в работах: И.Н.'Ахвердова, Ш,!.Баженова, Г.И.Бердова, П.И.Бокенова^ II.М.Грушко, А.И.Кудякова, Р.3.Рахимова, В.И.Соломатова, І.І.І.І.Сычева и др.
Практическое значение работы состоит в том, что предложена технология получения бетона и раствора, в "которой продукты электрохимически обработанного водного раствора, выступая -в роли жидкости затворения, одновременно оказывают активирующее воздействие на компоненты композиции. Предлагаем? технология позволяет получать бе--. тонные или растворные смеси с улучшенными физико-механическими и эксплуатационными свойствами. Даны практические рекомендации внедрения разработанной технологии в производство строительных изделий
назаЕодах и при возведении монолитных домов в условиях строительной площадки.
Основные положения и выводы проделанной работы подтверждены актом проведения промышленных испытаний бетонных смесей и бетона на Томском заводе КПД (19Э1 г.). Разработано техническое задание на опытнопромыплэнную линию (1992 г.). Предложены варианты конструкций электролизеров для технологии строительных материалов.
Результаты исследований использованы при выполнении госбюджетных научно-исследовательских работ кафедры строительных материалов, отдела композиционных материалов ШІИСМ при ТГАСА, а также з учебном процессе Томской государственной архитектурно-строительной академии при выполнении курсовых, дипломных проектов и лабораторных работ с научными исследованиями.
Апообанпп пг.боты Основные положения и результаты исследований докладывались ;: "'''г-уждались на Всесоюзной конференции "Физико-химические* проблемы материаловедения и новые технологии" (Белгород, 1991 г.), на Республиканской научно-технической конференции (Могилев, 19Э1 г.), на юбилейной научно-технической конференции Новосибирского КС И (Новосибирск, 1990 г.), на Международной (СТ,Г) научной конференции "Коллоидная химир и физико-химическая механика дисперсных систем" (Одесса, 19-25 сентября 1993 г.), на Региональной научно-технической конференции "Архитектура и строительство Сибири и Дальнего Востока" (Благовещенск, ноябрь 1993 г.), на региональной научно-технической конференции "Использование отходов промышленности в производстве строительных материалов" (Новосибирск, ноябрь 1993 г.), на научных семинарах кафедр строительных материалов, химии Томской государственной'архитектурно-строительной академии и ЛХ строительных материалов при ТГАСА в 1990-1993 гг.
Публикации. Основное содержание работ и ее результаты опубликованы в 10 работах и защищены двумя авторскими свидетельствами.
На зашиту выносятся:
I. Концепция реализации в технологии производства бетона и раствора селективного воздействия на исходные компоненты продуктами электрохимической обработки водных растворов в п. -камерном электролизере постоянного тока, основанная на следующих положениях:
- водный раствор, подвергнутый электрохимической обработке, изменяет свои физико-химические свойства в широком диапазоне: ако-лит - рН = 1,5 - 2,0; Eh = 1,12- І,І6В;католит - рН = 11,2 - 11,7; Zh.= -0,7 + -0бВ;растЕор из средней камеры - рН = 2,7 - 5,4; Eh. = 0,2 - 0,5В;
раствор из камеры, образованной двумя ионообменными мембранами, имеет повышенную активность за счет разрушения ассоциатов молекул воды в процессе активации;
широкий спектр свойств, полученных продуктов электрохимической обработки водных растворов, позволяет целенаправленно влиять на кислые или основные центры поверхности вяжущего и заполнителя и формировать микро- и макроструктуру материала, что в целом приводит к повышению прочности цементных композиций до 30 %.
-
Совокупность параметров, устанавливающих закономерность влияния на свойства продуктов электрохимической обработки водных растворов КрЯ , ЕЛ , а? и их стабильность во времени) энергетических и технологических режимов процесса ЭХА, конструктивных особенностей электролизеров, вида и количества вводимых минеральных добавок, места размещения вводимой добавки в межэлектродном пространстве электролизера; а также результаты экспериментальных исследований, подтверждающих влияние продуктов электрохимически активированного водного раствора на структурообразование и повышение механических характеристик цементного камня, раствора и бетона.
-
Технологические основы и практические рекомендации приготовления цементных композиций с использованием продуктов электрохимической активации водных растворов.
Струклупа " объем работы.
Работа cociov.T из введения, пяти глав с выводами, общих выводов, 19 с.приложений, списка литературы из 177 наименований. Она . изложена на 127 страницах машинописного текста и имеет 69 рисунков, 17 таблиц.
Работа выполнялась под руководством доктора технически наук, профессора А.И.Кудякова и научных консультантов кандидата химических наук, доцента Ю.С.Саркисова и кандидата технических наук, старшего научного сотрудника С.В.Образцова.
