Ультразвук - инновационная технология для производства цементно-бетонных изделий.

Активный спрос на жилищное и промышленное строительство является первостепенным

индикатором состояния экономики и наблюдается даже в переломные моменты развития

общества. Россия, имеющая большие неосвоенные территории и заброшенные в

постперестроечный период объекты, остро нуждается в строительных проектах, о которых

мы слышим зачастую на всех уровнях – как со стороны федеральных и муниципальных

органов, так и от частного бизнеса.

При этом в эпоху устойчивого развития требуются инновационные технологии,

позволяющие получать экономический эффект за счет роста производительности труда,

экономии средств, минимизации экологического ущерба.

Большинство строительных конструкций, равно как и строительных работ, связаны с

использованием цементно-бетонных изделий. Поэтому процесс их изготовления имеет

непреходящее значение.

Цементно-бетонные изделия, традиционно используемые в строительстве,

характеризуются высокой прочностью и универсальностью форм. При этом

реализующиеся при производстве физико-химические процессы хорошо изучены, а

технологии детально отработаны. Вопрос производства бетона имеет вполне прикладной,

технологический аспект. Рассмотрим хорошо известный профессионалам процесс

производства цементного теста – ключевого компонента бетона.

В процессе производства цемента смесь известняка (основная составляющая – СаО),

глины (Al2O3 • mSiO2 • zH2O) или мергеля и железистых отходов (Fe3O4) обжигают в

трубчатой печи при температуре до 1450 С с получением так называемого клинкера,

который затем измельчают с добавлением гипса (CaSO4хН2О) и различных добавок.

Добавки вводятся для улучшения характеристик бетона. В их числе, в частности,

суперпластификаторы и стабилизаторы. Суперпластификаторы улучшают пластичность

бетона, его прочность, плотность и водонепроницаемость, позволяют снизить расход

цемента, стабилизаторы – повышают стойкость бетонных смесей против расслоения,

снижают водоотделение.

При смешивании цемента с водой получают цементное тесто, протекает реакция

гидратации между клинкерными составляющими и водой. Образующиеся гидраты

представляют собой плотное наслоение гелевых частиц, имеющих форму иглообразных

кристаллов. Это так называемая «алюминатная структура», состоящая из зерен

3CaO*Al2O3. Эта стадия ответственна за процесс схватывания цементного теста,

занимающий примерно 1 сутки от момента смешивания (в зависимости от температуры и

влажности). В дальнейшем алюминатная структура заменяется силикатной,

представляющей собой продукты дальнейшей гидратации клинкерных материалов – алит

2(3CaO*SiO2) и белит 2(2CaO*SiO2). Растет содержание карбонатов и силикатов кальция,

определяющих прочность бетона. Эта стадия называется твердением, занимает 28 дней (к

этому периоду привязаны характеристики бетона) и более.

На цементных заводах формы, в которые заливают бетон, нагревают для ускорения

твердения.

Оптимизация процесса изготовления бетона связана с поиском путей улучшения его

характеристик (прочности, текучести, морозостойкости и др.), уменьшения периодов

схватывания и твердения, снижения себестоимости за счет экономии компонентов и

электроэнергии.

Характерно, что активное перемешивание проходит через весь процесс производства

бетона. Поиск инновационных усовершенствований, активно проводящийся в последнее

десятилетие, привел к возникновению идеи использования здесь ультразвуковой

технологии. Несмотря на то, что эта идея достаточно свежа, за прошедшие 5 лет были

проведены серьезные исследования и испытания, и на ряде заводов ультразвук был

внедрен в процесс изготовления бетона.

Ультразвук представляет собой звуковые волны высокой частоты. Применение

ультразвука идет, в основном, по двум направлениям: ультразвук с частотой выше 5 МГц

(не вызывает кавитации) применяется для исследовательских целей, в то числе для

хорошо известного нам узи внутренних органов; ультразвук в диапазоне от 20 до 100 кГц

(вызывает кавитацию) широко применяется в промышленности для так называемой

силовой ультразвуковой обработки, в процессах гомогенизации, диспергирования,

измельчения, эмульгирования, экстракции, очистки и т.д.

Преимуществами ультразвуковой обработки является высокий КПД (до 90 % всей энергии

направляется в процесс), отсутствие механических элементов, универсальность

аппаратных решений. Рассмотрим структуру ультразвукового устройства.

Рис. 1. Структура ультразвукового устройства.

Генератор производит электрический ток ультразвуковой частоты, который преобразуется

преобразователем в механические колебания. В преобразователе использован магнито-

упругий или пъезоэлектрический элемент (последний более эффективен, так как

позволяет получить энергию высокой плотности). Волновод передает механические

колебания со звуковой частотой в обрабатываемую среду, формируя в ней ультразвуковые

волны.

Ультразвуковые колебания запускают процесс кавитации – природного явления, которое

выводит процесс ультразвуковой обработки на качественно новый уровень, позволяющий

концентрировать энергию в различных точках обрабатываемой среды. При кавитации в

жидкости возникают попеременно локальные циклы разрежения и сжатия, что приводит к

появлению пузырьков при разрежении, которые взрываются под воздействием сил

межмолекулярного притяжения. Распространение пузырьков кавитации приводит к

образованию жидких струй внутри жидкости со скоростью до 280 м/с. Все это ведет к

разрушению материалов и повышению интенсивности перемешивания.

Рис. 2. Рост пузырьков в процессе кавитации.

Рис. 3.

Возникно-

вение

кавитации

вокруг

волновода

При кавитации кинетическая энергия движения жидкости преобразуется в тепловую

энергию, на месте разрыва пузырьков возникают участки с очень высокой температурой

генератор преобразователь волновод

(примерно 5000 К) и давлением (примерно 2000 атм), которые быстро охлаждаются при

взаимодействии с окружающей жидкостью. Тем самым создаются уникальные условия

для протекания химических взаимодействий.

В 2009 году на 17 международной конференции по строительным материалам в Веймаре

были подведены итоги ряда исследований по использованию ультразвука в производстве

бетона.

В частности, к важным характеристикам бетона относятся его текучесть (способность

заполнять формы конструкций) и периоды схватывания и твердения, определяющие

готовность строительной конструкции к использованию. В традиционных технологиях

для повышения текучести в цементное тесто добавляют пластификаторы, а сами формы

для сокращения срока схватывания нагревают, что связано с большим потреблением

энергии и опасностью возникновения трещин в конструкциях. В то же время

оптимальным представлялась бы такая технология, которая позволила бы использовать

цементное тесто с высокой текучестью при управляемом быстром схватывании. Также

актуальной является проблема сокращения выделения углекислого газа при производстве

бетона.

В [1] изучалось влияние ультразвуковой обработки на текучесть и схватывание

цементного теста. Цементную суспензию, содержащую пластификатор, пропускали через

ультразвуковую установку по рециркуляционной схеме. Для контроля результатов

использовалось современное аналитическое оборудование. С целью определения

оптимальных параметров обработки эксперименты проводились с различной амплитудой

и мощностью ультразвуковых колебаний. Ультразвуковая обработка позволила снизить

время схватывания почти вдвое (с 6 часов для эталонной смеси до 3,5 часов при

амплитуде колебаний в 43 мкм и мощности 150 Вт с/мл), рис. 4.

Рис. 4. Время схватывания в зависимости от мощности и амплитуды ультразвука.

Для выяснения механизма действия ультразвука на составляющие цементного теста было

проведено исследование с помощью сканирующего электронного микроскопа (рис. 5).

Исследование показало, что время схватывания связано с процессом гидратации алита

(3CaO*SiO2): 3CaO*SiO2+H2O -> 3Ca2SiO4*H2O+Ca(OH)2 , определяющим прочность

цементного камня (условно гидрат алита обозначается как C-S-H). В обработанном тесте

весь объем заполнен гидратом по прошествии определенного времени, в то время как в

эталонной пробе (не прошедшей обработку) гидрат алита только начинает появляться.

Таким образом, применение ультразвука в этом случае не только ускоряет процесс

изготовления цемента, но и позволяет минимизировать необходимость нагрева

заливаемых форм.

Рис. 5. Слева – снимок эталонной смеси (без ультразвуковой обработки), справа –

обработанной смеси.

Расчет затраченной на ультразвуковую обработку энергии позволил получить значение в 3

кВт х час на м3 бетона, что значительно меньше энергии, затраченной на подогрев. Кроме

того, практически отпала необходимость в использовании пластификатора, так как

ультразвук повышает текучесть цементного теста.

Добавление щебня в бетон осуществляется после ультразвуковой обработки и дальнейшее

перемешивание происходит механическим путем. В рамках исследования была оценена

возможность введения стадии ультразвуковой обработки в существующий процесс

производства и получено положительное заключение.

Расчет экономического эффекта от внедрения ультразвуковой обработки в производстве

бетона выполнен в [2]. В этой работе задача была сформулирована следующим образом:

определить ежегодную экономию компонентов цементного теста, возникающую за счет

ультразвуковой обработки, при получении бетона с теми же характеристиками, что и для

традиционной технологии его изготовления. Эксперимент включал в себя подготовку

цементного теста с добавлением известняка, пластификатора и стабилизатора, контроль

его текучести, добавление песка и щебня и изготовление кубических форм для испытания

на прочность с дальнейшим исследованием. Эталонная проба и проба, обработанная

ультразвуком, были приготовлены идентичным образом. Обработка проводилась на

стадии получения цементного теста, перед добавлением песка и щебня. Оказалось, что для

получения бетона с аналогичными характеристиками по прочности после ультразвуковой

обработки нет необходимости в использовании стабилизатора, а требуемое количество

известняка и пластификатора уменьшается на 32 %. Это дает экономию в 8,66 евро на м3

бетона с учетом затрат на применение ультразвукового оборудования. Это значит, что,

например, для завода с валовым выпуском бетона в год в объеме 25000 м3 ежегодная

экономия составит порядка 200000 евро.

В настоящее время инновационные разработки в сфере производства бетона включают в

себя также технологии, связанные с применением волокна (фибры) и углеродных

нанотрубок для улучшения механических свойств бетона, его укрепления. Так,

добавление фибры повышает прочность бетона за счет замедления скорости образования

микротрещин и увеличения работы разрушения. Фибра укрепляет структуру бетона на

макроуровне (миллиметровом). Для иллюстрации в таблицах 1 и 2 приведены результаты

испытаний сталефибробетона, проведенных в СПбГАСУ под руководством профессора

Ю.В Пухаренко с использованием разных видов фибры.

Таблица 1- Составы сталефибробетонных смесей, взятых для исследования прочностных

характеристик.

Наименование

компонентов

Расход компонентов на 1 м3 бетонной смеси для составов, кг

Состав 1 Состав 2 Состав 3

Цемент 720 720 720

Песок 1440 1440 1440

Вода 216 216 216

Пластификатор SP-

10 (0,5% от Ц)

3,6 3,6 3,6

Фибра 0 ( контрольный) 117 (из проволоки,

«БМЗ»)

117 (аморфная

металлическая, ООО

«Химмет»)

Таблица 2 - Результаты испытаний образцов сталефибробетона

№

состава

Предел прочности

на растяжение при

раскалывании, МПа

Предел прочности

на сжатие,

МПа

Истира-

емость,

г/см2

Водопогло-

щение, %

1 3,23 47,3 0,515 2,62

2 3,83 50,6 0,271 2,57

3 6,37 48,3 0,444 2,59

В то же время углеродные нанотрубки и наноразмерная фибра повышают прочность

бетона на наноуровне и препятствуют возникновению трещин, как таковых. Однако, при

использовании как нанотрубок, так и ранее упомянутой обычной проволочной фибры, в

качестве добавки в цементное тесто, сталкиваются с проблемой их агломерации и

неравномерного распределения (диспергирования). Это ведет к образованию слабых мест

в бетонной конструкции и снижает эффективность использования нанотрубок.

В работе [3] для эффективного диспергирования многостеночных углеродных нанотрубок

(МУНТ) в воде их обрабатывали ультразвуком в присутствии поверхностно-активных

веществ (ПАВ) перед добавлением в цементное тесто, что привело к значительному

улучшению его механических свойств и свойств цементного камня. Исследовались

реологические свойства цементного теста, содержащего МУНТ и ПАВ, обработанные

ультразвуком, его микроструктура, сопротивление разлому полученного нанкомпозитного

материала. Использовались т.н. короткие (10 – 30 мкм) и длинные (10 – 100 мкм)

нанотрубки. Ультразвуковая обработка осуществлялась циклами по 20 сек для

предотвращения перегрева. За это время в суспензию передавалась энергия порядка 2000

Дж/мин.

Эксперименты по контролю вязкости показали, что вязкость цементного теста после

добавления МУНТ и ПАВ сохраняется на прежнем уровне только при условии

ультразвуковой обработки. В противном случае вязкость теста увеличивается (рис. 6).

Рис. 6. Зависимость вязкости от нагрузки (SP + SFC – цементное тесто с ПАВ; СР + SFC +

MWCNT – тесто + ПАВ + МУНТ; CP + SFC + MWCNT – тесто + ПАВ + МУНТ +

ультразвуковая обработка).

Применение ПАВ препятствует агломерации МУНТ. Так, при соотношении массы ПАВ к

массе МУНТ, равном 6,25, агломерации МУНТ не наблюдается (рис. 7).

На рис. 8 показана зависимость максимальной нагрузки от соотношения ПАВ/МУНТ.

Очевиден рост прочности при увеличении доли ПАВ, приводящей к уменьшению

агломерации МУНТ. При повышении концентрации ПАВ выше определенного предела

его молекулы начинают взаимодействовать друг с другом, что ведет к падению

прочности.

Рис. 7. А – без использования ПАВ (видны длинные агломераты нанотрубок); b –

пропорция ПАВ/МУНТ = 1,5; с – ПАВ/МУНТ = 4; d – ПАВ/МУНТ = 6,25 (агломератов

нет).

Рис. 8. Зависимость максимальной нагрузки на цементный камень от пропорции

ПАВ/МУНТ.

Эксперименты показали, что прочность цементного камня увеличивается почти в 1,5 раза

за счет использования водной суспензии МУНТ и ПАВ, предварительно обработанных

ультразвуком, при изготовлении цементного теста (рис. 9).

Рис. 9. Зависимость прочности цементного теста от времени приведена для случая без

добавления МУНТ+ ПАВ (СР) и для случая с добавлением МУНТ+ ПАВ, предварительно

обработанных ультразвуком (MWCNT).

В описанных выше экспериментах применялись ультразвуковые устройства серии UIP

(Германия). фирмы Hielscher Ultrasonics. На рис. 10 приведена схема установки

мощностью 1 кВт, использованной в [2].

Рис. 10. Ультразвуковое устройство мощностью 1 кВт.

1 – емкость с обрабатываемой средой; 2 – насос; 3 – датчик давления; 4 – волновод; 5 –

усилитель (бустер); 6 – преобразователь; 7 – клапан.

В устройстве используется схема рециркуляции с проточной ячейкой. Жидкость из

емкости поступает в трубопровод и подается насосом в проточную ячейку. После

обработки в проточной ячейке жидкость поступает через клапаны обратно в емкость.

Клапаны позволяют регулировать давление в системе, контролируемое с помощью

датчика. Повышенное давление способствует повышению эффективности обработки.

Проточная ячейка имеет охлаждающую рубашку, в которую при необходимости может

быть подана охлаждающая жидкость. В ячейку помещен волновод, передающий

ультразвуковые колебания. Усилитель (бустер) позволяет увеличить мощность обработки.

Энергия передается с управляемой амплитудой таким образом, что величина

механических ультразвуковых колебаний в волноводе постоянна при любой нагрузке.

Можно изменить амплитуду от 50 до 100% в генераторе, а также используя

различные типы усилителям (бустера). Выбранная амплитуда поддерживается постоянной

при обработке любого материала и при любом давлении.

Преимуществами установок серии UIP являются их широкий номенклатурный перечень с

мощностями до 16 кВт, наличие функции автоматического сканирования частоты,

многофункционального меню, автоматизация процесса с управлением от компьютера,

возможность выбора оптимальных условий и их автоматическое поддержание.

В настоящее время ультразвук все активнее применяется в промышленности

строительных материалов. Как правило, с его помощью решаются нетривиальные задачи

по изготовлению материалов с заданными свойствами. Возможность повышения качества

продукта, снижения затрат на его изготовление являются предпосылками для более

широкого использования ультразвуковой технологии при изготовлении цементно-

бетонных изделий.

Л.Н. Исаев

Дирк Симрот

С.В. Карамышев

Литература.

[1]. Robler C., Stockigt M., Peters S., Ludwig H.-M. Power-ultrasound – an efficient method to

accelerate setting and early strength development of concrete. F.A. Finger-Institute for building

Materials Science, Bauhaus –University Weimar, Germany, 2009.

[2]. Daniel Peter Kennedy. A study to determine and quantify the benefits of using power

ultrasound technology in a precast concrete manufacturing environment. Trinity College Dublin,

2012.

[3]. Maria S. Konsta-Gdoutos, Zoi S. Metaxa, Surendra P. Shah. Highly dispersed carbon

nanotube reinforced cement based materials. Cement and Concrete Research. 2010. – p. 8

[4]. http://www.ultrazvuc.ru