1. 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.

2. 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.
генератор
преобразователь
волновод
Рис. 1. Структура ультразвукового устройства.
Генератор производит электрический ток ультразвуковой частоты, который преобразуется
преобразователем в механические колебания. В преобразователе использован магнитоупругий 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. 3.
Возникновение
кавитации
вокруг
волновода
Рис. 2. Рост пузырьков в процессе кавитации.
При кавитации кинетическая энергия движения жидкости преобразуется в тепловую
энергию, на месте разрыва пузырьков возникают участки с очень высокой температурой

3. (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

4. 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

5. 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.
Расход компонентов на 1 м3 бетонной смеси для составов, кг
Наименование
компонентов
Состав 1
Состав 2
Состав 3
Цемент
720
720
720
Песок
1440
1440
1440
Вода
216
216
216
Пластификатор SP10 (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
Истираемость,
г/см2
Водопоглощение, %
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.

6. 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.

7. 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).

8. 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.

9. 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 цементнобетонных 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