Использование мощного ультразвука для увеличения ранней прочности бетона

РЕФЕРАТ. На основании динамики изменения температуры, определения сроков схватывания, параметров нарастания прочности при сжатии показано, что применение мощного ультразвукового импульса ускоряет затвердевание бетона и позволяет, снизив класс применяемого при его производстве цемента, сохранить при этом прочность бетона при сжатии. Подтверждено, что умеренную термическую обработку бетона можно заменить обработкой мощным ультразвуком, снизив тем самым производственные затраты.

Ключевые слова: бетон, ультразвук, сроки твердения, прочность при сжатии.

Keywords: concrete, ultrasound, hardening time, compressive strength.

1. Введение

Требования к изделиям из бетона и, таким образом, к производству бетона постоянно растут. Основное внимание уделяется удобоукладываемости (подвижности) и набору прочности, однако энерго- и ресурсосберегающее производство бетона также является важной темой исследований и разработок. В то время как составы бетона постоянно совершенствуются и оптимизируются, самому производству бетона долгое время уделяли мало внимания. Текущая задача научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ, ведущихся в бетонной промышленности, заключается в том, чтобы повысить раннюю прочность бетона, что позволит раньше выполнять распалубку бетонных изделий, их подъем и транспортировку. 

В настоящее время для регулирования набора ранней прочности бетон, как правило, подвергают термической обработке. Такой способ повышения ранней прочности бетона малоэффективен, а с учетом цен на электроэнергию становится все более дорогим. В то же время слишком высокая температура термической обработки увеличивает риск отложенного образования эттрингита, т. е. негативно отражается на долговечности бетона [1]. Таким образом, одной из целей для производителей бетона является частичный или полный отказ от термической обработки. Что касается ускорения затвердевания бетона химическим путем, то долгое время в наличии имелись только ускорители, вызывающиe коррозию арматуры. Новые разработки в области быстротвердеющих цементов и добавок имеют в своей основе вещества, не оказывающие коррозионного воздействия и позволяющие эффективно ускорить гидратацию порт­ландцементного клинкера [2]. Независимо от способа ее ускорения, при производстве бетонных изделий особое значение имеет ранняя прочность (в возрасте менее 1 сут).

Помимо обыденной жизни, ультразвук применяется и в промышленности. Звукохимия исследует применение ультразвука (ультразвуковых волн) для воздействия на химические системы и в последние годы приобретает все большее значение. Звукохимические эффекты основаны на акустической кавитации. Современные основы этой технологии приведены в работе [3]; наиболее важные исследования представлены в работах [4—6].

Исследования влияния мощного ультра­звука на цементное тесто свидетельствуют о его положительном воздействии на показатели подвижности и твердения [7—10]. В работах [9, 11] показано, что применение мощного ультразвука ускоряет гетерогенное образование центров нуклеации гидросиликатов кальция.

Цель данного исследовательского проекта заключается в том, чтобы с помощью мощного ультразвука сделать возможным повышение прочности бетона из цемента CEM I 42,5 R до такого же значения, как при использовании цемента CEM I 52,5 R, сохранив темп набора прочности бетона, а также частично или полностью отказаться от его термической обработки. Для этого было исследовано влияние параметров ультразвука (амплитуды и удельной мощности), а также параметров оборудования (в частности, последовательного или параллельного включения источников ультразвука, их типа). 

2. Проведение испытаний 

С учетом максимального размера зерен (16 мм) и особенностей оборудования было решено отказаться от ультразвуковой обработки собственно бетонной смеси. Приведенные здесь результаты исследований получены при ультразвуковой обработке цемент­ного теста. После нее цементное тесто смешивали с заполнителем и пластификатором и проводили последующие исследования бетонной смеси и затвердевшего бетона.

2.1. Ультразвуковая установка. Ультразвуковая обработка цементного теста проводилась при помощи ультразвуковых генераторов UIP2000hdT (Hielscher Ultrasonics) с выходной мощностью 2000 Вт каждый, рабочей частотой в пределах 19—20 кГц. Ультразвуковое устройство (рис. 1) состоит из генератора (1) и акустического преобразователя (2). На акустическом преобразователе устанавливаются усилители (3), предназначенные для увеличения или уменьшения амплитуды ультразвука (сонотрод) (4). Сонотрод посылает колебания в проточную ячейку (5), где находится среда, подвергающаяся обработке.


Рис. 1. Ультразвуковая установка с насосом (вверху), ультра­звуковые генераторы/блок управления (внизу)

Для испытаний использовали два ультра­звуковых процессора, которые были соединены друг с другом. Среда прокачивалась в циркуляционном контуре при помощи насоса (6) производства фирмы PFT. В проточной ячейке среда проходила через сонотрод, подвергаясь воздействию мощного ультразвука. Так как использовались два ультразвуковых процессора, можно было реализовать протекание среды по параллельной или последовательной схеме. Кроме того, обработку среды мощным ультразвуком можно производить в однопроходном режиме или в режиме циркуляции, когда среда протекает через проточные ячейки несколько раз. Представленные здесь результаты исследований относятся исключительно к последовательной схеме в режиме циркуляции.

2.2. Исходные материалы. В работе использованы два вида портландцемента (по DIN EN 197-1):CEM I 42,5 R (CEM42), а также (в качестве эталона) CEM I 52,5 R (CEM52) с удельной поверхностью по Блейну 4770 и 5870 см2/г соответственно. При их производстве использовался один и тот же клинкер. Химический состав цементов приведен в табл. 1.


Для приготовления бетонной смеси применялся заполнитель с размером частиц 0—16 мм согласно DIN EN 12620 (рейнский песок с частицами размером 0—2 мм, рейн­скую гальку размером 2—8 и 8—16 мм), а также пластификатор на основе нафталинсульфоната. Состав бетонной смеси приведен в табл. 2, данные о прочности бетона — в табл. 3.



2.3. Методы исследований. Для исследования влияния мощного ультразвука и термической обработки на ход гидратации (в сравнении с необработанным материалом) была измерена температура цементного тес­та. Тепловыделение определяли в полуадиабатических условиях при температуре 20 °C. Время начала схватывания было определено в соответствии с DIN EN 196—3 при помощи автоматического прибора Вика (Vicatronic MA-E044, ATH, Австрия). В отличие от требований стандарта, цементное тесто было приготовлено при В/Ц, соответ­ствующем бетонной смеси (0,47). Определение начала схватывания позволяет сделать вывод о влия­нии на эту характеристику цементного теста параметров ультразвука (амплитуды, подводимой энергии). Для приготовления бетонной смеси через 50 мин после затворения цемента водой цементное тесто было смешано с заполнителем и пластификатором. Период времени между приготовлением цементного теста и бетонной смеси определяется максимальной длительностью ультразвуковой обработки, которая варьировалась от нескольких минут до получаса. Подвижность согласно DIN EN 12350-5 для всех бетонных смесей определяли через 55 мин после затворения водой. Прочность при сжатии в возрасте 8, 10, 12, 14, 24, 48 ч, а также 7 и 28 сут определялась согласно DIN EN 12390-3 на образцах-кубах с длиной ребра 10 см. Применение мощного ультразвука в некоторых случаях приводило к сильному нагреву цементного теста (до 47 °C, т. е. примерно на 20 °C выше температуры , которую имело цементное тесто, не обработанное ультразвуком).

Чтобы убедиться в том, что наблюдаемые эффекты не связаны исключительно с повышением температуры, дополнительно были проведены испытания с термически обработанными цементным тестом и бетонами. Для этого при помощи нагревателя в течение 10 мин поддерживалась температура теста, равная 41 °C, что соответствует режиму обработки ультразвуком с амплитудой 43 мкм и подводимой удельной энергией 75 Вт · с/мл.

Чтобы сравнить бетоны, обработанные мощным ультразвуком и подвергнутые термической обработке, в Институте Вильгельма Дюкерхоффа (WDI) были изготовлены образцы бетона такого же состава при следующих условиях: через 30 мин после добавления воды бетонная смесь подвергалась термической обработке в течение 4 ч при 30 и 40 °C (пример обозначения пробы: WB 30°C WDI).

3. Результаты и их обсуждение

Предварительно параметры оборудования были оптимизированы таким образом, чтобы достичь максимальной мощности источника ультразвука. В исследовании преимущественно использовали три значения амплитуды (19, 31 и 43 мкм), а также три значения подводимой удельной энергии (50, 75 и 100 Вт · с/мл). В приведенных далее обозначениях проб указаны амплитуда и подводимая удельная энергия. Например, PUS19/50 обозначает режим обработки ультразвуком с амплитудой 19 мкм и удельной энергией 50 Вт · с/мл. 

Непрерывное измерение температуры образцов цементного теста — контрольного Ref42,5, подвергшихся термической (Ref_WB) и ультразвуковой обработке (PUS43/100) поз­воляет продемонстрировать влияние обработки мощным ультразвуком на зависимость температура—время (рис. 2, а). Видно, что температура образца, подвергнутого термической обработке, достигла максимума на 20 мин раньше, чем температура контрольного образца (через 9 ч 42 мин и 10 ч 05 мин гидратации соответственно). Максимальная температура образца, обработанного ультразвуком, достигнута еще раньше — за 6 ч 53 мин (т. е. более чем на 3 ч раньше). Сравнение образца, подвергнутого термической обработке, с образцом, обработанным ультразвуком, показывает, что, несмотря на близкую температуру (Ref_WB — около 42 °C, PUS43/100 — около 45 °C), индукционный период у образца, обработанного ультразвуком, значительно более короткий.


Рис. 2. Изменение температуры образцов цементного теста в зависимости от времени (а) и время достижения максимальной температуры в зависимости от подводимой удельной энергии (б)

На рис. 2, б для образцов, обработанных ультразвуком, приведена зависимость времени достижения максимальной температуры от подведенной энергии. Приведено также время достижения максимальной температуры для контрольного образца из цемента CEM I 52,5 R (08:50 ч, что на 1 ч 15 мин меньше, чем в случае образца из CEM I 42,5 R). Между тем температура всех исследованных образцов из цемента CEM I 42,5 R, обработанных ультразвуком, достигла максимума раньше, чем в случае контрольного образца из цемента CEM I 52,5 R. С увеличением количества подводимой энергии время достижения максимальной температуры значительно сокращается, причем различия для образцов, обработанных ультразвуком с разными амплитудами, сравнительно невелики (10—20 мин). Самое короткое время достижения максимальной температуры имеет место при подводимой удельной энергии 100 Вт · с/ мл (и максимальной амплитуде 43 мкм). 

Измерения времени начала схватывания (рис. 3) демонстрируют аналогичную, хоть и не столь очевидную картину. Время начала схватывания образцов, обработанных ультразвуком, значительно сокращается по сравнению с эталонным образцом Ref42,5 (в зависимости от параметров ультразвука). В наименьшей степени этот эффект проявился в случае образца PUS31/50 (Δt = 15 мин, на рис. 3 не показан); в наибольшей степени — в случае образцов PUS19/100 и PUS43/100 (Δt = 70 мин, что соответствует сокращению времени схватывания примерно на 21 %).


Рис. 3. Начало схватывания цементного теста, обработанного ультразвуком, и цементного теста, не подвергавшегося ультразвуковой обработке (В/Ц = 0,47)

Увеличения подвижности бетонной смеси по сравнению с контрольным образцом не было обнаружено (табл. 4). Этот результат совпадает с данными работы [9], согласно которым после ультразвуковой обработки цементного теста какого-либо существенного увеличения подвижности не происходит.


Важным параметром при производстве изделий из бетона является их прочность при сжатии и скорость ее набора на ранней стадии  твердения (до 24 ч). Как уже сказано выше, цель проекта заключается в том, чтобы с помощью мощного ультразвука придать цементу CEM I 42,5 R прочность, которая сделает возможной замену им цемента CEM I 52,5 R при сохранении скорости набора прочности, а также частично или полностью отказаться от термической обработки бетона. Как видно из данных, приведенных на рис. 4, а, при «максимальных» параметрах ультразвука (43 мкм, 100 Вт · с/мл цементного теста, что примерно соответствует 9,2 кВт · ч/м3 бетонной смеси) прочность бетона растет значительно быстрее по сравнению с контрольными образцами. В наи­большей степени этот эффект проявляется в возрасте до 12 ч, в последующем (14, 24 ч) становится менее выраженным и в более поздний период (48 ч) вовсе нивелируется (рис. 4, б).


Рис. 4. Прочность образцов бетона при сжатии в возрасте 8, 10 и 12 ч (а) и 14, 24, 48 ч (б)

Таким образом, удалось не только достичь поставленной цели (снизить класс цемента при сохранении прочности бетона), но и пре­взойти ее. Образец, обработанный мощным ультразвуком, обладает значительно большей прочностью при сжатии в ранний период по сравнению с контрольным образцом бетона из CEM I 52,5 R. В возрас­те 28 сут прочность образцов составляет 93—98 % прочности контрольных образцов, не подвергавшихся ультразвуковой обработке.

Еще одной целью исследования является полный или частичный отказ от термической обработки изделий на предприятиях ЖБИ. Чтобы показать возможность этого, в Институте Вильгельма Дюкерхоффа были проведены сравнительные испытания, воспроизводящие термическую обработку в условиях, приближенных к реальным, существующим при производстве ЖБИ. На рис. 5 приведены значения прочности при сжатии образцов бетона, прошедших термическую обработку, и бетонов, обработанных ультразвуком (прочность измерена в возрас­те от 8 до 12 ч). Из данных, приведенных на рис. 5, следует, что умеренную термическую обработку можно полностью заменить обработкой мощным ультразвуком с подобранными параметрами.


Рис. 5. Прочность при сжатии образцов бетона после термической обработки (а) и после обработки мощным ультразвуком (б)

4. Заключение

Ускорение твердения бетона с помощью мощного ультразвука — это совсем «молодой» метод, обладающий огромным потенциалом для обеспечения энергетически эффективного и современного производ­ства бетона. В данной статье на основании динамики изменения температуры, определения сроков схватывания, параметров нарастания прочности при сжатии удалось четко показать, что применение мощного ультразвука ускоряет затвердевание бетона. Поставленная цель, которая заключалась в том, чтобы, исходя из экологических и экономических соображений, снизить класс применяемого цемента, сохранив при этом прочность при сжатии, была достигнута. Кроме того, удалось подтвердить, что умеренная термическая обработка бетона может быть заменена обработкой мощным ультразвуком. Исследования долговечности бетона, обработанного ультразвуком, а также влияния последнего на твердение композиционных цементов будут проведены на следующем этапе выполнения проекта.

Благодарность

Данная работа профинансирована Немецким научно-исследовательским обществом (DFG), номер финансирования LU 1652/11–1.



ЛИТЕРАТУРА

1. Ludwig H.-M. Treibender Betonangriff // Schutz und Widerstand durch Betonbauwerke bei chemischem Angriff: 8. Symposium Baustoffe und Bauwerkserhaltung. Karlsruhe: KIT Scientific Publishing, 2011. S. 11—17.

2. Ludwig H.-M., Dressel D., Peters S. State-of-the-art acceleration technologies for precast concretes // Betonwerk und Fertigteil-Technik. 2011. B. 77, N 2, S. 24—25.

3. Sander J.R.G., Zeiger B.W., Suslick K.S. Sonocrystallization and sonofragmentation // Ultrasonics sonochemistry. 2014. Vol. 21, N 6. P. 1908—1915.

4. Suslick K.S., Price, G.J. Applications of ultrasound to materials chemistry // Annual Review of Materials Science. 1999. Vol. 29. P. 295—326.

5. Luque de Castro M.D., Priego-Capote F. Ultrasound-assisted crystallization (sonocrystallization) // Ultrasonics sonochemistry. 2007. Vol. 14, N 6. P. 717—724.

6. Li H., Wang J., Bao Y., Guo Z., et al. Rapid sonocrystallization in the salting-out process // J. of Crystal Growth. 2003. Vol. 247, N 1—2. P. 192—198.

7. Rößler C. Einfluss von Power-Ultraschall auf das Fließverhalten- und Erstarrungverhalten von Zementsuspensionen. // Ibausil, 17. Internationale Baustofftagung. Weimar: Bauhaus-Univ, 2009.

8. Peters S., Rößler C., Ludwig H.-M. Power ultrasound — capability of application in mortar // Ibausil, 18. Internationale Baustofftagung. Weimar: Bauhaus-Univ, 2012.

9. Peters S. The influence of power ultrasound on the setting and strength development of cement suspensions. Eingereichte Dissertation. Weimar, Bauhaus- Universität, F.A. Finger- Institut für Baustoffkunde, 2016.

10. Rößler C., Peters S., Ludwig H.-M. Power ultrasound: An effective method to accelerate strength and early strength development of concrete. // Proc. XIII Intern. Congr. on the Chemistry of Cement. Madrid, 2011.

11. Peters S., Kraus M., Rößler C., Ludwig H.-M. Influence of power ultrasound on fluidity and microstructure of cement suspensions. // Proc. XIII Intern. Congr. on the Chemistry of Cement. Madrid, 2011.



Автор: Р. Ремус, К. Рёсслер, Й. Орбен, Х.-М. Людвиг

Поделиться:  
Заказать этот номер журнала «Цемент и его применение» или подписаться с любого месяца можно по ссылке
Использование опубликованных на сайте новостных материалов допускается только с упоминанием источника (журнал «Цемент и его применение») и активной гиперссылкой на цитируемый материал.