АКТИВАЦИЯ ВЯЖУЩИХ ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ

УДК 693.5

Булат А.Д., Данилова Ю.С.
Военный Инженерно-Технический Университет (филиал г. Тольятти)

 Известно, что всякая материальная среда обладает собственным электрическим полем. Более того, все процессы, протекающие в материалах, проходят под действием электрического поля Земли (130 В/м), что вообще является экологической нормой, которой определена своя роль в эволюции природных процессов на Земле.

Электрическое поле является энергетическим фактором, способным воздействовать на материалы и их компоненты как избирательно, так и интегрально. При наложении электрических полей в органических и неорганических соединениях может возникнуть или измениться множество элементарных форм движения, участниками которого являются ионы, полярные молекулы или их группировки, межфазные двойные слои.

В настоящей работе рассмотрен механизм гидратации цемента в растворной смеси, активированной внешним электрическим полем, с позиций поверхностных и электронных явлений.

В ряде работ [1,4,5,8,9] утверждается, что свойства клинкерных минералов и гетерогенная реакция их взаимодействия с электролитом в значительной степени определяются состоянием поверхности твёрдой фазы и зависит от характера и распределения электрических зарядов на границе раздела твёрдая фаза – раствор.

При растворении, или топохимических реакциях, появляется свежая поверхность, которую, видимо, можно рассматривать как ювенильную, причём при растворении или топохимических реакциях, как при раскалывании, на поверхности могут образовываться свободные электроны, что играет важную роль при гидратации.

Определённую характеристику активных центров даёт явление эмиссии электронов со свежей поверхности. Считается, что эмитирует не вся поверхность, а только активные центры, в которых напряжённость поля достигает 10⁸ В/см. следовательно, активностью системы можно руководить, управляя электроникой поверхности (поверхностными электронными процессами) за счёт изменения концентрации свободных носителей заряда. Свободные носители являются результатом дефектности структуры, присутствия посторонних атомов и образования поверхности (понижение координации, не насыщения связи). Последнее возможно с помощью воздействия электрического поля.

Параметры электрического поля  растворной смеси при изменении внешнего поля. 

Электрические параметры бетонной смеси, полученные путём измерения с помощью измерителя R, L,C  E7 – 8 (см. табл.1) близки к параметрам, приводимым в литературе [2,5,6]. Поэтому, их использование в расчётных формулах правомерно и не вызывает сомнения. Исходя из экспериментальных данных, произведён расчёт напряжённости электрического поля в бетонной смеси. Выполнена оценка воздействия электрического поля на удельную поверхность цементного зерна, на основании, которого составлена программа для анализа закона изменения напряжённости электрического поля в бетонной смеси и напряжённости поля на цементном зерне, а также силы, действующей на адсорбционный слой ДЭС цементного зерна. При анализе решений программы для различных значений КНГ (коэффициента нормальной густоты), величины и характера прикладываемого напряжения, а также времени действия электрического поля были получены следующие результаты:

 

Определена зависимость напряжённости постоянного электрического поля в бетонной смеси от времени существования внешнего поля (см. рис.1). Данные зависимости показывают, что максимальное значение напряжённости поля, лежит в, пределе, 0,000001 сек, времени электрического поля. Вид прикладываемого напряжения будет сказываться в зависимости от переходного процесса включения сети.

 

Получена зависимость силы, действующей на ДЭС цементного зерна для соответствующей величины напряжённости поля в бетонной смеси при различных значениях КНГ.

Найдена минимальная сила, способная разрушить адсорбционный слой ДЭС. При воздействии постоянного поля напряжённость, необходимая для разрушения адсорбционного слоя в бетонной смеси Е =I В/м, т.е. практически все рассматриваемые величины прикладываемого напряжения для различного значения КНГ дают положительный эффект (разрушение адсорбционного слоя).

Деление цементного зерна в растворной смеси, активированной электрическим полем

При рассмотрении теории гидратации цемента в результате воздействия электрических полей было установлено, что степень гидратации повышается за счёт увеличения активной поверхности вяжущего. Принимая ряд допущений (частицы цемента имеют поверхность шара, расположены равномерно в объёме, одного размера, а также, что дисперсные системы обладают максимальной устойчивостью при наиболее плотной упаковке) и исходя из того, что разрушение цементного зерна в результате воздействия электростатических сил на границе раздела «цементное зерно – гидратная оболочка» из среды с большей диэлектрической проницаемостью может происходить по диаметру, который определяется выражением:

 где d — толщина слоя.

Учитывая, что прочность адсорбционного слоя составляет 10000 Па [9], можно констатировать, что  при определенной напряженности поля происходит его разрушение, которое приводит к изменению соотношения между объемом и поверхностью фазы цементного зерна. При этом площадь (удельная поверхность взаимодействия) увеличивается и  будет примерно равна площади (удельной поверхности) «зерна – шара» до обработки плюс две площади круга диаметром равным диаметру шара, при условии, что деление произошло по диаметру.

КНГ по экспериментальным данным принят 0,28. Выполнив расчёты можно утверждать, что удельная поверхность цементного зерна обработанного электрическим полем в 1,5 раза больше чем необработанного. Кроме того, деление зёрен может произойти как по диаметру, так и по 1/3 диаметра (деление по 1/6 диаметра и менее не рассматривается, так как в данном случае радиус новых цементных зёрен очень мал, а это противоречит известным утверждениям о структуре цементных зёрен [3,7]).

Получив результат о характерном делении зёрен цемента, была вычислена величина вероятного отклонения плоскости рассечения от заданной. Для этого  рассмотрен закон «нормального распределения» случайных величин, на основании которого определена вероятность попадания случайной величины в интервал [0,88;4,38] (интервал получен при помощи математических расчётов) по формуле: 

Вероятность деления зерна по диаметру значительно превышает вероятность деления зерна по 1/3 диаметра.

Зная радиус цементного зерна R = 2,6316×10^-6м и радиусы цементных зёрен при делении: 1) по диаметру R_н = 0,79R_с (где R_н и R_с, — радиусы обработанного и необработанного цементных зёрен соответственно); 2)  по 1/3 диаметра R_б.н = 0,83R_с, R_м.н = 0,75R_с (где R_б.н и R_м.н – радиусы новых большого и малого обработанных шаров)_, при помощи формулы (1) вычисляются значения новых КНГ и определяется зависимость новых радиусов при делении по диаметру и 1/3 диаметра  (функции y(x),f(x),h(x)) и КНГ (переменная x, см. рис.2).

 

Результаты экспериментальных исследований активации цементных растворов электрическим полем

Для выявления эффективного воздействия электрического поля на цементно-песчаный раствор произведены экспериментальные исследования по проверке гипотезы влияния электрических полей на процессы гидратации цемента и коагуляционного структурообразования. Подтверждены теоретические предпосылки по эффективному влиянию электрофизической обработки на физические, технологические, а также прочностные характеристики строительных растворов. Установлена зависимость прочности бетона от времени начала обработки электрическим полем, которая представляет собой кривую относительной прочности бетона, испытавшего воздействие электрического поля на ранних  и более поздних этапах твердения (рис.3). За 100%-ную прочность принята паспортная прочность необработанного бетона, твердеющего в нормальных условиях. На основании проведённых исследований выявлены значительные, не принимаемые до сих пор во внимание, возможности управления структурообразованием бетона. Разработаны способ повышения прочности бетона предварительной обработкой электрическим полем бетонных смесей  и электротехнический способ разрушения бетона.

 

Сравнение результатов испытаний образцов раствора, обработанных электрическим полем, с контрольными показывают значительное улучшение:

а)  прочностных характеристик:

• стандартный состав:  R₂₈^изгиб  =  + 127%, R₂₈^сжатие  =  + 31%.
• состав с экономией цемента 15%:R₂₈^изгиб  =  + 77%, R₂₈^сжатие  =  + 52%.

б)  физико-структурных характеристик:

• плотность   (+ 18 – 20%),
• пористость  (- 40 – 48%).

в)  физико-механических характеристик:

• подвижность в пределах нормы,
• расслаиваемость смеси в пределах нормы,
• водоудерживающая способность (+18 – 20%),
• водостойкость (+10%),
• морозостойкость (+41%).

Выводы:

Модель гидратации цементного раствора под воздействием внешнего электрического поля, а также её физико–математическое обоснование, соответствуют физическим процессам, происходящим при структурообразовании цементного камня.

Наглядно подтверждена гипотеза о наиболее вероятном делении зерна по диаметру.

Выбор оптимальных режимов электрообработки растворных смесей электрическим полем будет полностью определяться технологией приготовления товарного раствора, материалами, источниками высокого напряжения, экономической эффективностью решения.

Использование эффекта воздействия электрического поля на растворные смеси позволяет значительно улучшить физико-механические и технологические свойства, а также добиться экономии цемента без снижения и изменения прочностных и заданных показателей при наименьших стоимостных и энергетических затратах.

На основании приведённых методов исследования наиболее технологичным и экономичным является способ предварительной обработки растворных смесей  электрическим полем, который на определенном этапе структурообразования позволяет регулировать процессы гидратации, тем самым, улучшаются физико-механические, технологические свойства растворов. Поэтому данный способ может быть  рекомендован для внедрения в промышленную технологию.

Библиографический список

1. А.С.1715380 Способ изготовления бетонных и железобетонных изделий / А.Д. Булат, М.К.Корякин, М.Н.Монахов // Опубликовано в Б.И. – 1992. -№3.
2. Ахвердов И.Н.  Основы физики бетона. М.: Стройиздат, 1981.
3. Блещик Н.П. Структурно-механические свойства и реология бетонной смеси и красвакуумбетона. Минск: Наука и техника, 1977.
4. Богусловский Л.И. Биоэлектрические явления и граница раздела фаз. М.: Наука,1978.
5. Капранов В.В. Твердение вяжущих веществ и изделий на их основе. Челябинск, 1976.
6. Крылов Б.А., Ли А.И. Формированный электроразогрев бетона. М.: Стройиздат, 1975.
7. Строительные материалы для объектов капитального строительства Министерства Обороны./Оболдуев А.Т., Гельман С.Ф., Кузьмин В.И., Черемский А.Л.  Л., 1985.
8. Сватовская Л.Б., Сычев М.М. Активированное твердение цементов. Л.: Стройиздат, 1983.
9. Сычев М.М. Некоторые вопросы механизма гидратации цементов.//Цемент. – 1981. — №8.