Исследованиефизико-механических свойств цементно-песчаных растворов при воздействии сверхвысокочастотного электромагнитного излучения

М ашиночитаемая информация о CC- лицензии в метаданных статьи (HTML- код ):

is licensed under a ...

олговечность используемых конструкционных материалов на цементной основе может быть повышена путем их модификации электромагнитным излучением. В частности, модификация структуры водных растворов и готовых строительных изделий может быть выполнена путем воздействия магнитного и сверхвысокочастотного электромагнитного излучения (СВЧ ЭМИ). При этом отмечается улучшение их физико-механических свойств [1–5].

Так, отмечается увеличение количества центров кристаллизации при структурообразовании составов в технической воде (а также в затворенной растворной смеси), прошедшей через воздействие направленного магнитного поля [1]. Процессы растворения и гидратации цемента в более ранние сроки интенсифицируются магнитным воздействием, что приводит к образованию мелкокристаллических структур и, следовательно, к уменьшению пористости, увеличению плотности, прочности, морозостойкости и долговечности в целом [2]. Затворение бетона магнитоактивированной водой обеспечивает повышение степени гидратации клинкерных минералов и большую однородность структуры получаемого бетона [3]. Воздействие магнитного поля проявляется в уменьшении размеров кристаллов новообразований в твердеющем цементе при увеличении их количества [4], что также должно привести к уплотнению структуры бетона и повышению прочности. Эффективный объемный прогрев образцов при воздействии СВЧ-устройств может привести к интенсификации процессов структурообразования [5]. Однако в процессе модификации необходимо соблюдать безопасные режимы облучения бетонов и цементно-песчаных растворов, потому как мощные импульсы СВЧ-излучения способны разрушать структуру цементной матрицы [6].

Также известно, что клинкерные минералы реагируют с водой с неодинаковой скоростью, при этом образуются продукты гидратации разного состава и различной степени закристаллизованности [7–12]. Получаемые системы различным образом влияют на свойства цементного камня, особенно этот факт наблюдается при воздействии на систему излучениями различной природы.

С целью прослеживания изменений свойств цементно-песчаных растворов (ЦПР) после воздействия СВЧ ЭМИ были проведены их физико-механические испытания и проанализированы результаты в сравнении с необлученными. При этом исследования проведены на двух образцах низкомарочных ЦПР из сухих смесей (марка по прочности в возрасте 28 суток не более М150) и двух образцах ЦПР, используемых для ремонта бетонных и железобетонных конструкций (марка по прочности в возрасте 28 суток более М300–М400) – для наглядности получаемых результатов. Составы четырех отечественных производителей были выбраны случайным образом, полученные характеристики в том числе сравнивались с показателями, регламентированными производителями в возрасте 28 суток.

Экспериментальная установка по исследованию взаимодействия цементно-песчаных растворов с СВЧ ЭМИ состояла из СВЧ-генератора с изменяемой выходной мощностью до 1 кВт с частотой излучения 2,45 ГГц, излучающей системы, рабочей камеры, согласующей нагрузки, а также аппаратуры для измерения влажности и температуры образцов. Изменяя массу образца, время облучения и мощность излучения можно было изменять удельную дозу поглощенного излучения. Время облучения изменялось на различных образцах от 30 секунд до 2 минут. Для данных условий оптимальным был выбран режим с длительностью воздействия 1 минута, минимальной мощностью 60 Вт.

Облучение образцов проведено в возрасте 0 (сразу после замешивания), 1, 2, 3 и 4 суток после затворения сухой смеси водой. Определение отдельных характерных физико-механических показателей проведено согласно [13-15]: определялись прочность на сжатие и растяжение при изгибе, а также водопоглощение при капиллярном подсосе. Исследования структуры в возрасте образцов 7 суток проводились на растровом электронном микроскопе «JSM 6610 LV» с энергодисперсионным спектрометром «OxfordIncaEnergy».

Результаты испытаний приведены на рис. 1–6. Для удобства восприятия на графиках штрихпунктирной линией отмечены границы показателей необлученных составов в возрасте 28 суток. Кроме того, не все полученные характеристики соответствуют показателям, регламентированным производителями в возрасте 28 суток.

ПЦС М150 Прочность на растяжение при изгибе

Прочность на сжатие,МПа                                         Прочность на сжатие, МПа                                        Прочность на сжатие, МПа

12,00

10,00

8,00

6,00

4,00

2,00

0,00

25,00

20,00

15,00

10,00

5,00

0,00

ПЦС М150 Прочность на сжатие

ф 3,00

7,28        §2,50

(прочность б«     "  2-00 ■

I.....I......I......I......I I  г = IIII

-0,00

12  3

Время облучения, сут

12  3

Время облучения, сут

Рис. 1. Результаты определения прочности на сжатие и растяжение при изгибе образцов ПЦС М150

Виалмит М150 Прочность на сжатие

13,60 (прочность

.............  о бл у ч е н и я)

о

Время облучения, сут

Виалмит М150 Прочность на растяжение при изгибе

2,15

го 3,50 § 3,00 Ю 2,50 х 2,00 с 1,50

Го 1,00

г 0,50 0,00

Время облучения, сут

Рис. 2. Результаты определения прочности на сжатие и растяжение при изгибе образцов Виалмит М150

МБР-300 М300 Прочность на сжатие

4,00

МБР-300 М300 Прочность на растяжение при __изгибе

— 20,88 (прочность

30,00

25,00

20,00

15,00

10,00

5,00

0,00

0   12   3   4

Время облучения, сут

S 3,00

2,00

б

£ 1,00

0,00

2,73 (прочность без

....................-      .......бл уч е н и я)

I I I I I

о

12  3

Время облучения, сут

Рис. 3. Результаты определения прочности на сжатие и растяжение при изгибе образцов МБР-300 М300

Водопоглощен ие кг/(мЛ2-чЛ0,5)                                    Водопоглощен ие кг/(мл2-чл0,5)                                          Прочность на сжатие, МПа

25,00

20,00

15,00

10,00

5,00

0,00

4,000

3,500

3,000

2,500

2,000

1,500

1,000

0,500

0,000

СРГ-Ф1 М400 Прочность на сжатие 2QQ1

(прочность

4,00

СРГ-Ф1 М400 Прочность на растяжение при изгибе

<= 4'00 ------------------------------------------------------2 77

без           го

......   облучения) i 3,50                                                  (прочность

Illi I !=1.....1.....1.....1.....Г

Hill IIIII

5 0,00

0   12   3   4

Время облучения, сут

Время облучения, сут

Рис. 4. Результаты определения прочности на сжатие и растяжение при изгибе образцов СРГ-Ф1 М400

ПЦС М150 Водопоглощение при капиллярном подсосе

3,458

Хводопоглоще ние без

m 2,000

Виалмит М150 Водопоглощение при капиллярном

подсосе

1,458 (водопоглоще

.............. ■..........■облучения) 7

Время облучения, сут

Время облучения, сут

Рис. 5. Результаты определения водопоглощения при капиллярном подсосе образцов ПЦС М150 и Виалмит М150

МБР-300 М300 Водопоглощение при капиллярном 12д2

ПОДСОСе                      (водопоглоще

ние без

1,600 1,400

1,200 1,000 0,800

0,600 0,400 0,200

Время облучения, сут

^ 1,600 ? 1,400 < 1,200 Е 1,000 $ 0,800 g 0,600

0,400

° 0,200

“ 0,000

ние без облучения)

СРГ-Ф1 М400 Водопоглощение при капиллярном

подсосе

1,167 "(водопоглоще ___ние без

■      ■ облучения)

I......I.....I.....I.....I

Время облучения, сут

Рис. 6. Результаты определения водопоглощения при капиллярном подсосе образцов МБР-300 М300 и СРГ-Ф1 М400

Электронно-микроскопические снимки структуры образцов ЦПР без воздействия и после воздействия СВЧ ЭМИ представлены на рис. 7, 8 и, в целом, подтверждают результаты физико-механических испытаний. Так, в возрасте 7 суток (после 4 суток с момента облучения) наблюдаются явные отличия в структуре образцов (более плотная и правильная упаковка кристаллической структуры – у образца после воздействия СВЧ ЭМИ). Помимо этого, при исследовании структуры на изломах образцов в нескольких сечениях визуально наблюдается снижение пори-

Рис. 7. Электронно-микроскопические снимки структуры образцов ЦПР без воздействия: а) увеличение х5000, масштаб отрезка 5 мкм, б) увеличение х1500, масштаб отрезка 10 мкм

Рис. 8. Электронно-микроскопические снимки структуры образов ЦПР после воздействия СВЧ ЭМИ в течение 2 мин: в) увеличение х5000, масштаб отрезка 5 мкм, г) увеличение х1500, масштаб отрезка 10 мкм

стости (что подтверждается результатами определения водопоглоще-ния при капиллярном подсосе).

По результатам проведенных физико-механических испытаний облученных образцов и сравнения данных с необлученными СВЧ ЭМИ образцами ЦПР можно сделать вывод, что максимально эффективным временем облучения являются, в основном, 2 сутки после замешивания как низко-, так и высокомарочных составов. При этом отмечено увеличение основных физико-механических показателей в сравнении с необ-лученными образцами:

• –    прочности на сжатие – до 32–35% (у низкомарочных составов) и до 12–14% (у высокомарочных);

• –    прочности на растяжение при изгибе – до 22–25% (у низкомарочных составов) и до 11–20% (у высокомарочных);

• а    также снижение водопоглощения при капиллярном подсосе – до 4–15% (у низкомарочных составов) и до 4–7% (у высокомарочных).

Следовательно, в облученных составах процесс гидратации проходит более интенсивно, что приводит к ускоренному набору прочности в ранние сроки, а также увеличению прочности и плотности в возрасте 28 суток по сравнению с контрольными образцами, что подтверждается также работой [16] и материалами трудов [17–20].