Фізико-технологічні основи механоактивації вторинної сировини у виробництві будівельних матеріалів

Размещено на http://www.allbest.ru

ДОНБАСЬКА ДЕРЖАВНА АКАДЕМІЯ
БУДІВНИЦТВА ТА АРХІТЕКТУРИ

05.23.05- Будівельні матеріали та вироби

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня
доктора технічних наук

Фізико-технологічні основи механоактивації вторинної сировини у виробництві будівельних матеріалів

Федоркін Сергій Іванович

Макiївка -- 1999

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Кримському інституті природоохоронного та курортного будівництва Міністерства освіти України.

Офіційні опоненти:доктор технічних наук, професор Матвiєнко Василь Андрійович, Донбаська державна академія будівництва та архітектури, професор кафедри будівельних матеріалів та виробництва будівельних конструкцій

доктор технічних наук, професор Вировий Валерій Миколайович, Одеська державна академія будівництва та архітектури, завідувач кафедрою виробництва будівельних виробiв i конструкцiй

доктор технічних наук Файнер Марко Шикович, науково-виробнича фірма “Композит”, голова (м. Чернівці)

Провідна установа:Придніпровська державна академія будівництва та архітектури, кафедра технології бетонів та в'яжучих речовин, Міністерство освіти України, м. Дніпропетровськ

Захист відбудеться “_20__”_травня__ 1999 р. о __10_ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 12.085.01 при Донбаській державній академії будівництва та архітектури за адресою: Україна, 339023, м. Макіївка, вул. Державіна, 2.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Донбаської державної академії будівництва та архітектури за адресою: Україна, 339023, м. Макіївка, вул. Державіна, 2.

Автореферат розісланий “_20”__квітня_1999 р.

Вчений секретар спеціалізованої

вченої ради д. т. н., професор Погребняк В. Г.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Зростання виробництва високоякістних будівельних матеріалів стримується у теперішній час вичерпанням запасів якісної природної сировини. У цих умовах велике значення має розроблення будівельних матеріалів на основі вторинної сировини - побіжних продуктів виробництва гірничодобувних, хімічних, харчових та інших підприємств. Вторинна сировина дуже часто не має необхідних властивостей, які дозволяють її ефективне використання для виготовлення будівельних матеріалів. Тому відчувається потреба в правильному виборі технології виробництва будівельних матеріалів та виробів на основі вторинної сировини. Одним з перспективних напрямків покращення якості сировинних компонентів у виробництві будівельних матеріалів є їх механічна активація шляхом високошвидкісного подрібнення. При цьому зміна технологічних властивостей сировини пов'язана з зростанням енергії кристалічної гратки часток, створенням дефектів структури та інших процесів, що викликані механічною активацією. Питанням використання механоактивації вторинної сировини в технологіях виробництва будівельних матеріалів приділяли недостатню увагу. Рішення цієї проблеми, з одного боку, потребує вивчення складного механізму активації матеріалів при високошвидкісному навантаженні, а з другого боку, створення оптимальних умов реалізації цього механізму при формуванні структури будівельних матеріалів. Тому зараз особливу актуальність набуває здійснення нових науково обгрунтованих розробок, що спрямовані на створення будівельних матеріалів і ресурсозберігаючих технологій їх виробництва з використанням механоактивації сировини високошвидкісним подрібненням, які забезпечують вирішення важливої прикладної проблеми застосування вторинної сировини в будівельній індустрії.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дослідження виконані у рамках тематики науково-дослідних робіт, що передбачені постановою Міністерства України у справах науки і технологій з пріоритетного напрямку 4. Екологічно чиста енергетика і ресурсозберігаючі технології (Тема “Розробка науково-методичних і технологічних основ екологізації будівельного комплексу України” -- 1996-- 1997р.), у рамках проблеми 00.405.100 Механіка утворення і розповсюдження тріщин (наказ Мінвузу УРСР №132 від 16.05.89р., тема “Дослідження процесів динамічного навантаження та руйнування твердих тіл”), а також науково-технічними програмами ДКНТ СРСР, Президії АН СРСР, Президії АН УРСР, МНТК “Механобр” та тематичними планами КІПКБ.

Мета і задачі дослідження. Головною метою роботи є розробка фізико-технологічних основ механоактивації вторинної сировини високошвидкісним подрібненням для отримання будівельних матеріалів і створення ресурсозберігаючих технологій їх виробництва шляхом встановлення закономірностей впливу інтенсивної механічної дії на процеси руйнування та активації мінеральної сировини і на формування структури та властивостей будівельних матеріалів з її використанням.

Для досягнення поставленної мети були вирішені такі задачі:

-- досліджені основні закономірності впливу інтенсивної механічної дії на процеси руйнування твердих матеріалів, механоактивацію вторинної сировини і на формування структури будівельних матеріалів;

-- розроблені методичні основи для дослідження структури механоактивованої сировини та фізичного моделювання динамічного руйнування матеріалів при високошвидкісному навантаженні;

-- розроблені фізико-технологічні основи механоактивації вторинної сировини і способи виробництва будівельних матеріалів з її використанням;

-- створені ефективні будівельні матеріали (стінові, облицювальні і теплоізоляційні) на основі механоактивованої вторинної сировини та досліджена їх структура і властивості;

-- обгрунтовані технологічні принципи отримання будівельних матеріалів з механоактивованої високошвидкісним підрібненням вторинної сировини, що спрямовані на максимальне використання ефекту механоактивації;

-- розроблені технології виробництва будівельних матеріалів з використанням процесів механоактивації вторинної сировини і нових конструкцій роздрібнювачів-активаторів;

-- проведені єкспериментально- промислова перевірка та впровадження ресурсозберігаючих технологій вироблення будівельних матеріалів на основі механоактивованої вторинної сировини і виконано економічне обгрунтування їх ефективності.

Наукова новизна одержаних результатів:

-- створені фізико-технологічні основи механоактивації вторинної сировини високошвидкісним подрібненням, що полягають в її руйнуванні і активації під дією інтенсивного механічного навантаження, яке збільшує ступінь аморфізації матеріалів, їх дисоціацію, приводить до утворення сітки мікродефектів (мікротріщин, структурних дефектів), які мають підвищений запас енергії, що реалізується при формуванні структури будівельних матеріалів; механоактивація будівельний матеріал ресурсозберігаючий

-- теоретично та експериментально встановлено, що процес динамічного руйнування твердих тіл при високошвидкісному навантаженні, який відповідає виявленню механоактиваційних ефектів, має термоактиваційний характер і залежить від структури матеріалу та швидкості навантаження;

-- отримана аналітична залежність питомої поверхневої енергії від швидкості навантаження, яка придатна для розрахунку енергоємності подрібнення матеріалів у високошвидкісних млинах - активаторах;

-- експериментально встановлена залежність рівня механоактивації вторинної сировини високошвидкісним подрібненням від конструктивних особливостей млинів, швидкості навантаження та температури, що полягає в зміні структурних і фізико-хімічних властивостей побіжних продуктів виробництва та будівельних матеріалів на їх основі;

-- розроблено нові будівельні матеріали та ресурсозберігаючі технології їх виробництва з використанням нових підходів, що спрямовані на максимальну реалізацію ефекту механоактивації, який досягнуто високошвидкісним подрібненням;

-- розроблена методична основа для дослідження процесів динамічного руйнування твердих тіл, що містить у собі методики і пристрої для ініціації тріщин високошвидкісним навантажуванням, вивчення взаємодії хвиль напружень навколо тріщини, реєстрування хвильових полів та динаміки тріщин, визначення питомої поверхневої енергії руйнування при подрібненні, довговічності зразків, дисперсного аналізу подрібнених та активованих матеріалів.

Практичне значення одержаних результатів. Практичне значення отриманих у дисертаційній роботі результатів полягає у такому:

-- розроблені ефективні будівельні матеріали (стінові, облицювальні, в'яжучі та теплоізоляційні) на основі механоактивованої вторинної сировини;

-- розроблені технологічні схеми виробництва будівельних матеріалів з використанням механоактивації побіжних продуктів цементного, гірничодобувного, хімічного та харчового виробництв;

-- розроблені нові конструктивні рішення високошвидкісних роздрібнювачів-активаторів і конструкторська документація на млини ударної дії роторного та відцентрово-протитокового типів;

-- результати роботи було впроваджено на Бахчисарайському комбінаті “Будіндустрія” при утилізації побіжних продуктів цементного виробництва, на Кримському содовому заводі при утилізації побіжних продуктів содового виробництва, у НВФ “ЭСПО” при переробці вапнякової гірничої маси у стінові матеріали, а також на інших підприємствах.

Конструкції млинiв-активаторів були виготовлені Севастопольським морським заводом ім. С.Орджонікідзе ( ВПМ ) та підприємством “ НДІ Ресурсів” ( РМУ-100В і РМУ-1000Г) і зараз їх успішно експлуатують на Бахчисарайському комбінаті “Будіндустрія” і у НВФ “ЭСПО” (м. Сімферополь) при переробці пилу цементного виробництва та вапнякових побіжних продуктів видобутку каменю.

Технологія утилізації пилу цементного виробництва впроваджена на Бахчисарайському комбінаті “Будіндустрія”, експериментально-промислове виробництво стінових матеріалів було організоване НВФ “ЭСПО”. На Красноперекопському содовому заводі було створено експериментальне виробництво з виготовлення облицювальних плит на основі побіжних продуктів содового виробництва.

Результати досліджень доведені до рівня проектно-конструкторської і технологічної документації, пройшли експериментальну і експериментально-промислову перевірку та можуть бути рекомендовані до широкого впровадження на підприємствах будівельної індустрії України.

Результати досліджень, що отримані в дисертаційній роботі, використовуються в учбовому процесі КІПКБ при вивченні дисциплін “Процеси і апарати у виробництві будівельних матеріалів”, “Ресурсозберігаючі технології у виробництві будівельних матеріалів” та “Будівельне матеріалознавство”.

Особистий внесок здобувача складається з:

-- створення фізико-технологічних основ механоактивації мінеральної сировини високошвидкісним подрібненням при її переробленні в будівельні матеріали;

-- розроблення нових будівельних матеріалів та науковому обгрунтуванні і створенні ресурсозберігаючіх технологій з використанням процесів механоактивації вторинної сировини;

-- створення методологічної бази досліджень процесів динамічного руйнування твердих матеріалів при високошвидкісному навантаженні та структури механоактивованої сировини;

-- виявлення закономірностей динамічного руйнування твердих матеріалів і його термоактиваційного єства при високошвидкісному навантаженні, характерному для проявлення механоактиваційних процесів;

-- конструювання ефективних високошвидкісних млинів-активаторів, що дозволяють механоактивувати тверді побіжні продукти промислових виробництв;

-- обговорення та публікації результатів теоретичних і експериментальних досліджень по створенню нових технологій виробництва будівельних матеріалів на основі механоактивованої вторинної сировини.

Апробація результатів дисертації. Основні результати роботи та матеріали досліджень доповідались та обговорювались на Всесоюзній науковій школі “Деформування та руйнування матеріалів з дефектами і динамічні явища в гірських породах та виробітках (Сімферополь, 1985, 1987 рр.), Республіканській конференції “Удосконалення розрахункових і експериментальних методів дослідження фізичних процесів” (Миколаїв, 1985 р.), Республіканській конференції “Удосконалення технології виробництва бетонів підвищеної міцності та тривкості” (Уфа, 1985р.), 2-ому Всесоюзному симпозіумі “Механіка руйнування” (Житомир, 1985 р.), Всесоюзному семінарі “Інтерференційно-оптичні методи механіки твердого тіла, що деформується, та механіки гірських порід” (Новосибірськ, 1985 р.), Всесоюзній конференції “Експериментальні методи у механіці твердого тіла, що деформується” (Калінінград, 1987 р.), Республіканському семінарі “Динамічна міцність і тріщиностійкість конструкційних матеріалів” (Київ, 1988 р.), Науково-практичній конференції і загальних зборах Кримської Академії наук “Соціально-економічне положення і шляхи виведення економіки Криму з кризи” (Сімферополь, 1994 р.), Міжнародній науково-практичній конференції “Геоекологічні і медикоекологічні проблеми промислово-міських агломерацій Криму” (Сімферополь, 1994 р.), Міжнародній регіональній конференції “Проблеми екології і рекреації Азово- Чорноморського регіону” (Сімферополь, 1994 р.), Міжнародній науково-технічній конференції “Ресурсозбереження і екологія промислового регіону” (Макіївка, 1995 р.), І-ій Всеукраїнській науково-практичній конференції “Прогресивні технології та машини для виробництва будівельних матеріалів, виробів і конструкцій” (Полтава, 1996 р.), на науково-технічних конференціях КІПКБ (1992-- 1996 рр.), науково-практичній нараді Уряду Автономної Республіки Крим з проблем енергозбереження у Криму.

Публікації. Основні положення дисертації опубліковані у 61 наукових працях. Серед них наукова монографія обсягом 8,75 авторських аркушів, 17 статей у наукових виданнях, 10 тезів доповідей, 33 патенти і авторських свідоцтва. В авторефераті приведені 37 основних наукових праць.

Структура дисертації. Дисертація складається з вступу, шести розділів, загальних висновків, списку використаних джерел із 244 найменувань та додатків. Робота викладена на 399 сторінках, містить 102 iлюстрацiї на 62 сторінках, 38 таблиць на 19 сторінках та 14 додатків на 82 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ

У вступі розкривається сутність і стан наукової проблеми та її значущість, підстави і вихідні дані для розробки теми , обгрунтовується необхідність проведення дослідження та дається загальна характеристика дисертації.

У першому розділі були проаналізовані фізичні і фізико-хімічні аспекти механоактивації сировинних компонентів та її роль у формуванні структури і властивостей будівельних матеріалів. Проведено огляд стану досліджень впливу механічних дій на структуру і властивості твердих матеріалів. Розглянуто сучасні теорії механохімічних процесів у технології будівельних матеріалів та процеси руйнування твердих матеріалів при механоактивації, показано вплив механоактивації на властивості основних структуростворюючих компонентів будівельних матеріалів і проведено аналіз проблем використання цього процесу у виробництві будівельних матеріалів.

У результаті проведеного аналітичного огляду було встановлено, що утягування у виробництво будівельних матеріалів вторинних джерел сировини дозволяє вирішувати масштабні ресурсні та природоохоронні проблеми. Одним з найбільш поширених способів переробки і облагороджування сировини є її подрібнення шляхом дії на частки матеріалу механічною енергією, що приводить до його механоактивації. Аналіз сучасних досліджень свідчить, що на інтенсивність процесу подрібнення і активації вплив мають характеристики механічної дії. Одною з основних характеристик є швидкість підведення механічної енергії до часток речовини, яку подрібнюють. При збільшенні швидкості співзіткнення часток матеріалу, який подрібнюють, настає різке збільшення рівня його механоактивації, що технологічно виявляється у прискоренні процесів формування структури і підвищення міцності силікатних і цементних бетонів, керамічних виробів, у скороченні температурних параметрів та параметрів протяжності часу їх теплової та термічної обробки. Незважаючи на високу ефективність високошвидкісного подрібнення, процеси ударного руйнування і механоактивації твердих матеріалів вивчені недостатньо. Особливо плідним високошвидкісне подрібнення може стати при переробці побіжних продуктів виробництва у будівельні матеріали.

На основі існуючих експериментальних і теоретичних досліджень процесів динамічного руйнування твердих тіл, високошвидкісного подрібнення і механоактивації побіжних продуктів виробництва, а також виконаних експериментально-промислових і виробничих досліджень, було розроблено таку генеральну гіпотезу досліджень: зміна режимів механічної дії на тверді тіла дозволяє інтенсифікувати процес їх руйнування та керувати комплексом поверхневих явищ, надаваючих можливість використати механохімічні ефекти, що містяться в збільшенні ступеня аморфізації матеріалів, їх дисоціації, утворенні сітки мікродефектів, які мають підвищений запас енергії, що може бути реалізована при формуванні структури будівельних матеріалів на основі вторинної сировини та дозволить перевести некондиційну вторинну сировину у кондиційний продукт для виробництва будівельних матеріалів.

Сучасні погляди на механізм руйнування і механоактивації твердих матеріалів при високошвидкісному подрібненні досить різноманітні, що свідчіть про недостатню вивченість цих процесів, які умовно можна розділити на дві частини. Перша частина включає дослідження складного механізму динамічного руйнування твердих тіл при швидкостях навантаження, які характерні для проявлення механоактиваційних ефектів, а друга частина скаладається з вивчення та створення оптимальних умов високошвидкісного подрібнення і механоактивації побіжних продуктів виробництва для виготовлення будівельних матеріалів та розробки ефективних технологій їх виробництва. Ці дві частини поєднані з обгрунтуванням технологічних принципів механоактивації і утилізації побіжних продуктів виробництва і розробленням конструктивних рішень млинiв-активаторів.

У другому розділі були обгрунтовані вибір об'єктів і методологія досліджень. Проведено аналіз утворення і використання побіжних продуктів гірничодобувної, хімічної, харчової промисловості і будівельної індустрії деяких підприємств України як вторинної сировини. Виявлено вплив цих побіжних продуктів на погіршення екологічного стану регіону. Виконано обгрунтування і вибір об'єктів дослідження, що містять багатотонажні вапнякові побіжні продукти видобутку каменю і підземного будівництва, пил обертових печей цементних заводів, вапномістючих побіжних продуктів содового виробництва, пиритні недогарки сірчанокислотного виробництва, гідролізний лігнін гідролізно-дріжджевих заводів. Вивчено хімічні і фiзико-механічні властивості відібраних побіжних продуктів виробництва, а також приведено характеристики сумішевих компонентів і добавок, використаних при розробці будівельних матеріалів з застосуванням процесу механоактивації. Проаналізовані проблеми експериментального моделювання процесів руйнування твердих матеріалів при швидкостях навантаження, які характерні для високошвидкісного подрібнення і механоактивації, та обгрунтована можливість цього моделювання методом динамічної фотопружності з використанням спрощених моделей для виявлення якісних фізичних закономірностей процесів руйнування, що властиві твердим матеріалам неоднакового єства.Були розроблені методологічні основи дослідження механізму динамічного руйнування твердих тіл при високошвидкісному навантаженні, що характерні для механоактиваційних процесів і базуються на нових методиках і пристроях для ініціювання тріщиноутворення високошвидкісним навантаженням, для вивчення взаємодії хвиль напружень поблизу тріщин, реєстрації хвильових полів і динаміки тріщин, що швидко розповсюджуються, одноразового ударного руйнування окремих часток матеріалу, довговічності зразків, визначення питомої поверхневої енергії руйнування при подрібненні.

Реєстрація кінетики розповсюдження тріщин і хвильових полів, які супроводжують процес руйнування, здійснювалась методом динамічної фотопружності з використанням загальнозаведених модельних матеріалів ПММА, ЭД-20МА, ЭД-20МТГФА і реальних матеріалів (гірських порід, бетонів та інше). Цей метод дозволяє безконтактно і об'єктивно отримувати інформацію про шляхи, швидкості розповсюдження тріщин, напружений стан в її вершині, а також він дає можливість реєстрації видимої картини хвильового процесу, який супроводжує розповсюдження тріщини у всіх фазах її розвитку. Основу експериментального комплексу складає спеціально відпрацьована поляризаційно-динамічна установка на базі швидкісного фотореєстратору СФР-1М, що дозволяє реєструвати процеси руйнування у режимі покадрової зйомки зі швидкістю до 2?106 кадр/с у режимі фотореєстратору зі швидкістю розгортки зображення до 3.103 м/с. Дисперсний аналіз подрібнених і механоактивованих сировинних матеріалів здійснювали по розробленому методу з використанням електронної мікроскопії та сучасної обчислювальної техніки.

Обробка експериментальних даних виконувалась на комп'ютері за допомогою спеціально створеного методу, що грунтується на фільтрації отриманих експериментальних значень параметрів мікроруйнувань і фізико-механічних характеристик зразків будівельних матеріалів.

Поставлені задачі дослідження нарівні з розробленими методами і пристроями вирішувались з використанням стандартних методів (хімічного, диференціально-термічного, рентгенографічного, електронно-мікроскопічного аналізів).

Третій розділ було присвячено розгляду фізичних основ руйнування твердих матеріалів в процесі механоактивації. Тут були досліджені процеси тріщиноутворення при динамічному навантаженні твердих матеріалів, кінетика розповсюдження тріщин, мікромеханіка руйнування і були вивчені питання довговiчностi будівельних матеріалів при високошвидкісному навантаженні.

Особливістю руйнування при високошвидкісному навантаженні і механоактивації твердих матеріалів є нерівномірність протягом часу і за розмірами розподілу напружень по обсягу часток, які навантажують, тобто розподіл напружень має хвильовий (динамічний) характер.

Одним з найбільш важливих напрямків, які сприяють розвитку уявлень про природу руйнування, є вивчення завершального етапу динамічного навантаження -- розповсюдження швидкої руйнуючої тріщини. Процес руйнування твердих матеріалів містить декілька стадій. На початку під дією зовнішнього навантаження і теплових флуктуацій в тілі утворюються субмікротріщини. Далі починається їх злиття і укрупнення з утворенням мікротріщин. Подальший розвиток і взаємодія мікротріщин приводять до практично повного вичерпання міцності твердого матеріалу. Щоб отримати повне уявлення про руйнування при динамічному навантаженні, необхідно провести дослідження цього процесу на усіх його стадіях.

На першому етапі була досліджена кінетика зростання макротріщин в модельних матеріалах (ПММА і ЭД). У результаті численних експериментів було виявлено стрибкоподібний характер зростання тріщини, який зберігався в інтервалі температур 90-- 343 К та полягав у чергуванні стану спокою та руху її вершини, при цьому коливання швидкості тріщини мали приблизно регулярний характер.

В зразках з модельних матеріалів тривалість зупинок тріщини на початковому етапі її розвитку досягла величини 1-- 3 мкс, а тривалість стрибків -- 1-- 2 мкс. Швидкість вершини тріщини під час стрибка досягла V=1000 м/с. Середня швидкість тріщини залишалась незмінною на значному відрізку шляху (v=300-- 400 м/с) і знижувалась лише на заключному етапі її розповсюдження. Оскільки максимальна швидкість тріщини під час стрибка (V=1000 м/с) достатньо наближена до граничної, яку передбачають термофлуктуаційною теорією міцності (V=1500 м/с), то можна зробити висновок, що на стадії швидкого руйнування термофлуктуаційний механізм реалізується не повністю, але його внесок у процес руйнування є суттєвим.

При вивченні хвильових полів уздовж розриву суцільності, створеного тріщиною, було встановлено, що навздогін за поздовжньою хвилею з тією ж швидкістю розповсюджується локалізована область значних напружень. При досягненні фронту тріщини, яка знаходиться у стані спокою, поздовжня хвиля проходить крізь нього без взаємодії, а область напружень ініціює подальший розвиток тріщини і рухається з нею зі швидкістю, яка відповідає середній швидкості розповсюдження тріщини. Ця область є пружистою контактною хвилею і характеризується розмиканням берегів тріщини на деякому проміжку за її фронтом (3-- 5 мм), а максимальні напруження у ній досягаються на деякій відстані (2-- 6 мм) від берегів тріщини. Утворюється контактна хвиля із-за наближення до контактуючих поверхонь при проходженні уздовж них пружного імпульсу напружень. Контактна хвиля розповсюджується уздовж розриву суцільності і стає своєрідним акумулятором енергії для розвитку тріщини. На підставі концепції контактної хвилі була запропонована модель стрибкоподібного режиму розповсюдження тріщини.

Проведено теоретичні і експериментальні дослідження процесів утворення і розвитку мікроруйнувань перед фронтом мікротріщини, що розповсюджується.

Руйнування, яке розпочалось від найбільш небезпечного мікродефекту, продовжує розвиватись на фронті мікротріщини, що розповсюджується, а потім -- магістральної макротріщини, та утворює у матеріалі нові поверхні. Дослідження утворення і розвитку мікротріщин було проведено фрактографією поверхні руйнування.

Характерною особливістю поверхонь, що утворюються при розповсюдженні тріщин під дією хвиль напружень, є чергування за порядком, що відповідає зміні коефіцієнту інтенсивності напружень К(t), зон руйнування: дзеркальної, шорсткуватої і зони зруйнованого на шматки матеріалу. Фрактографічний аналіз поверхонь руйнування з умовами ініціювання тріщини і величиною К(t) засвідчує факт утворення поперед фронту магістральної тріщини в ПММА мікротріщин і випередження фронту магістральної тріщини у епоксидних матеріалах авангардними мiкротріщинами. Мікротріщини в ПММА розвиваються до зустрічі одна з одною або з магістральною тріщиною, що відповідає утворенню “лусок” або “парабол” на поверхнях руйнування. Тому ПММА вважаються найбільш інформативними матеріалами для кількісного опису утворення і розвитку мікротріщин.

Експериментально визначено залежність цільності мікротріщин в ПММА від номінальних статичних напружень, енергії хвильового навантаження і поточної довжини магістральної тріщини. На підставі кінетичних уявлень про механізм руйнування ПММА при хвильовому навантаженні були отримані математичні залежності між поверхневою цільністю мікротріщин і часом на її розвиток. Визначені швидкості фронтів мікротріщин та їх зміна на стадії зустрічі мікротріщини з магістральною тріщиною на різних етапах її розповсюдження.

Був визначений взаємозв'язок стрибкоподібного характеру руху тріщини з процесами накопичення ушкоджень, утворення мікроруйнувань і концентрації напружень поблизу її фронту. На підставі фрактографічного аналізу показано, що рух магістральної тріщини і мікротріщин припиняється і відновлюється одночасно. Утворення і розвиток мікротріщин не може проявитись у вигляді стрибків магістральної тріщини із-за хаотичного розташування мікротріщин і незначних її розмірів в порівнянні з величиною стрибків. Було виявлено причину стрибкоподібного руху тріщини, яка знаходилась у конкуренції процесів накопичення пошкоджень і концентрації напружень поблизу її вершини.

Зміна температури матеріалів, які досліджують, приводить до якісної зміни процесів утворення і розвитку мікротріщин: утворення мікротріщин перед фронтом тріщини, що розповсюджується, трансформується у випередження його авангардними мікротріщинами і, навпаки, тобто процеси утворення і розвитку мікротріщин при хвильовому навантаженні суттєво залежать від температури. Так як розвиток мікротріщин при динамічному навантаженні здійснює перехід від руйнування на мікрорівні до макроруйнування зразка, то характер процесів утворення і розвитку мікротріщин визначає і характер процесу руйнування у цілому.

Результати дослідження процесу утворення і розвитку мікротріщин при динамічному навантаженні свідчать про термоактиваційний механізм руйнування твердих тіл, проява якого залежить від будови матеріалу і умов руйнування.

Досліджена залежність довговічності твердих матеріалів (вапняків, діориту, дрібнозернистого бетону) від швидкості навантаження і температури. Результати фрактографічного аналізу свідчать про зміну характеру руйнування при збільшенні швидкості навантаження. По структурі досліджені матеріали являють з себе зерна мінералів і піску, зцементованих різними хімічними речовинами. У більшості матеріалів такого типу міцність міжзернистих границь нижча міцності самих зерен. При імпульсному розтягу з підвищенням швидкості спостерігається перехід до змішаного типу руйнування від міжзереного до внутрішньозерневого. Перехід до цього виду руйнування відбувався при швидкості навантаження >106 МПа/с для усіх досліджених матеріалів. При швидкості навантаження > 1,5?106 МПа/с руйнування відбувалось у зоні товщиною 1,5-- 2,5 мм у вигляді крихкого шару. У цьому випадку розподіл зразків на частини здійснювався за рахунок злиття окремих тріщин, які зростають у різних площинах, паралельних одна одній, що свідчить про вплив швидкості навантаження на концентрацію мікротріщин в об'ємі матеріалу. При підвищенні температури зразків з 293К до 393К внутрішньозерневе руйнування матеріалів дещо змістилось у зону більш низьких швидкостей навантаження, рівних 0,8?106 МПа/с для усіх вивчених матеріалів. Поява крихкого шару почалась з = 1?106 МПа/с, що пов'язане зі збільшенням кількості дефектів структури при зростанні температури матеріалу. Такий вплив температури на процес динамічного руйнування матеріалів знаходиться у повній відповідності з кінетичною концепцією і повністю підтверджує встановлений факт термофлуктуаційної природи руйнування не тільки модельних полімерів, але й гірських порід і дрібнозернистого бетону.

Експериментально вивчена залежність питомої поверхневої енергії і енергоємності руйнування при високошвидкісному подрібненні і механоактивації у діапазоні швидкостей навантаження часток (0,6 -- 2) . 106 МПа/с. Одержано аналітичну залежність для разрахунку питомої поверхневої енергії руйнування

де -- питома поверхнева енергія руйнування;

-- питома поверхнева енергія руйнування при статичному навантаженні;

-- питома поверхнева енергія руйнування при швидкості навантаження зі швидкістю хвиль Релея у матеріалі;

-- швидкість навантаження;

k -- коєфіцієнт, який залежить від властивостей матеріалу.

Здійснено оцінку енергоємності руйнування вапняків при швидкостях навантаження, які характерні для кульового млина, вібромлина, роторного та відцентропротипотокового млина. Результати оцінки свідчать, що енергоємність подрібнення мшанкового вапняку зменшується у 3,2 рази, а мармуроподібного вапняку у 1,2 рази. Зростання швидкості навантаження при подрібненні більш ефективне для пластичних порід, що пов'язане зі зменшенням витрат енергії на пластичні деформації при високошвидкісному руйнуванні матеріалу.

Таким чином, зростання швидкості навантаження і температури сприяє більш ефективному багатоосередковому руйнуванню при високошвидкісному навантаженні, що необхідно враховувати при високошвидкісному подрібненні твердих матеріалів у процесі переробки вторинної сировини у будівельні матеріали.

В четвертому розділі досліджувались процеси високошвидкісного подрібнення і механоактивації вторинної сировини. У процесі високошвидкісного подрібнення частки матеріалу б'ються в робочі органи активаторів або співударяються між собою зі швидкістю 100-- 600 м/с. В момент удару в цих частках виникає складне поле напружень і деформацій як результат взаємодії поздовжної, поперечної, поверхневої і відбивної хвилі, це викликає утворення мікротріщин, зріст макротріщин і наступне руйнування.

Проведено моделювання на комп'ютері процесу руйнування окремих часток при високошвидкісному ударі з швидкостями 50-- 250 м/с з використанням чисельного модифікованого методу кінцевих елементів. Було встановлено, що розподіл напруг має хвильовий характер і при зростанні швидкості окремого удару з 50 до 250 м/с поверхня руйнування збільшується у 2,4 рази. Експериментально досліджено вплив швидкості співзіткнення часток у діапазоні 50-- 300 м/с і температури на процес її подрібнення і механоактивації за допомогою електромагнітної метальної установки. Відзначено, що зі збільшенням швидкості співзіткнення окремих часток вапняка з 50 до 300 м/с, температури з 273К до 373К і розміру часток з 5 до 10 мм починається зростання питомої поверхні продуктів руйнування і підвищення рівня їх механоактивації, який оцінюється по вмісту вільного СаО. Для зразків розміром 5 мм критична швидкість співзіткнення часток, яка відповідає початку механоактивації, складає 150 м/с при 273К і 100 м/с -- при 293К і 373К. Для зразків розміром 10 мм критична швидкість дорівнює 150 м/с при 273К, 100 м/с при 293К і 50 м/с при 373К. Вивчення гранулометричного складу продуктів руйнування окремих часток свідчить про монотонне зростання мілких фракцій з зростанням швидкості співзіткнення.

Механоактивація матеріалів визначається не тільки швидкістю навантаження, але й конструктивними особливостями млинів. З метою визначення оптимальних способів подрібнення було проведено дисперсний аналіз і вивчення структури матеріалів при подрiбненнi у кульовому, вібраційному, роторному і газоструменевому млинах. При цьому швидкість співзіткнення часток змінювалась від 30 м/с (кульовий млин) до 400 м/с (газоструменевий млин). Електронно-мікроскопічні дослідження часток і аналіз гістограм показав, що найбільш тонкі і монодисперсні частки є характерними для газоструменевого і роторного подрібнення зі швидкостями ударного навантаження 400 і 150 м/с відповідно. Обсяг часток розміром менше як 5 мкм складає 9-- 14% при подрібненні матеріалів у кульовому та вібраційному млинах і 59-- 61% при роторному і газоструменевому подрібненні. При цьому, у випадку газоструменевого і роторного подрібнення вапняку починається його інтенсивна декарбонизація з наступною агрегацією і зарощуванням місця контактів подрібнених часток.

Встановлена можливість повторного гідратаційного твердіння цементів після високошвидкісного подрібнення шиферних побіжних продуктів і дрібнозернистого бетону. Було показано, що подрібнення і активація шиферних побіжних продуктів у високошвидкісному млині приводить до підвищення міцності зразків на їх основі у 3 рази в порівнянні з подрібненням у кульовому млині, а активація дрібнозернистого бетону на карбонатному і кварцевому пісках підвищує міцність зпресованих зразків у 2,4-- 3 рази і дозволяє отримати міцний (сж= 10-- 15 МПа ) і водостійкий (Кр= 0,65-- 0,78) матеріал. Рентгенографічні дослідження зпресованих зразків на основі шиферних побіжних продуктів у 28-добовому віці, виготовлених з сировини, обробленої з різною швидкістю навантаження часток, свідчать, що високошвидкісне подрібнення побіжних продуктів у роторному млині в порівнянні з подрібненням у кульовому млині приводить до аморфизації речовини, зникнення ліній кристалічних гідросилікатів кальцію і до появи низькоосновних гідросилікатів кальцію типу CSH(B) i C2SH2 , які надають цементному каменю високу міцність.

Досліджена роль малих часток при подрібненні вапняку і визначено їх внесок в загальний рівень механоактивації матеріалу при високошвидкісному подрібненні. Подрібнення вапняку Альминського родовища виконували у млині ударної дії РМУ - 100В при лінійних швидкостях ротора від 50 м/с до 300 м/с. У подрібненому при різних швидкостях вапняку методом дисперсного аналізу визначали кількість часток розміром до 5 мкм, питому поверхню і вміст вільного СаО. На рис. 1 показано залежності цих показників від швидкості подрібнення.

Рис. 1. Залежність питомої поверхні S (1), вмісту вільного СаО (2) та кількості часток розміром до 5 мкм (3) у подрібненому вапняку від максимальної лінійної швидкості обертання ротору млину ударної дії

На графіку видно, що крива з вмістом часток розміром до 5 мкм корелює з кривою декарбонизації вапняку, яка характеризує рівень механоактивації матеріалу. Електронно-мікроскопічні дослідження структури подрібненого матеріалу підтвердили наявність декарбонизованих агрегатів, а також характер розподілу малих часток, який криється в розміщенні їх на поверхні значно більших часток. Було обумовлено визначну роль малих часток у механоактивації матеріалу при високошвидкісному подрібненні. Особливості поведінки цих часток, їх властивості і енергетичний стан дозволяють зробити важливий висновок про можливість отримання механоактивованих систем шляхом сумісного використання звичайних порошків і порошків, що складаються з активованих малих часток, при переробці твердих побіжних продуктів промислових виробництв у будівельні матеріали.

П'ятий розділ присвячено розробці будівельних матеріалів на основі механоактивованої вторинної сировини і дослідженню їх структури. Використання високошвидкісного подрібнення дозволяє по новому глянути на механізм структуроутворення і формування властивостей будівельних матеріалів з механоактивованої вторинної сировини і здійснити нетрадиційні підходи до технологічних параметрів і схем її переробки.

У цьому розділі було досліджено процеси механоактивації вапнякових побіжних продуктів видобутку каменю, пилевиносу обертових печей цементного виробництва, карбонатних побіжних продуктів содового виробництва, пиритних недогарків, гідролізного лігніну і були розроблені способи їх переробки у стінові теплоізоляційні, облицювальні і в'яжучі будівельні матеріали.

Одним з ефективних способів пiдвищення коефiцiєнту розм'якшення і зниження водопоглинання є гідрофобізація стінових матеріалів або сировинних сумішей кремнійорганічними речовинами. Деякі кремнійорганічні сполуки (органілхлорсилани, тетраалколсилани, органілсиликонати натрію, поліорганілгідросилоксани то що) створюють на різних матеріалах водовідштовхуючі плівки, тобто володіють здатністю гідрофобізувати гідрофільні поверхні. Основною реакцією, що приводить до створення водовідштовхуючих плівок з поліалкілгідросилоксанів, є їх взаємодія з гідроксильними групами поверхні. Наприклад, між поліетилгідросилоксаном (ГКЖ-94) і гідрооксидом кальцію вже при звичайній температурі йде хімічна реакція з виділенням водню і утворенням кальційорганілсилоксанів, що мають значну міцність і в'яжучі властивості. Було розроблено технологічні параметри отримання і досліджено структуру і властивості стінових матеріалів шляхом сполучення механоактивації вапнякових побіжних продуктів видобутку каменю високошвидкісним подрібненням з їх гідрофобізацією кремнійорганічними речовинами. Введення гідрофобної добавки ГКЖ-94 у кількості 0,1-- 0,15% дозволяє отримати міцний (?сж=7-- 9,8 МПа), водостійкий (коефіцієнт розм'якшення 0,8) і морозостійкий матеріал (35 -- і більш 50 циклів) (табл.1).

Таблиця 1

Фізико-механічні властивості зразків на основі вапнякових побіжних продуктів і ГКЖ

При високошвидкісному подрібненні вапнякових побіжних продуктів у суміші утворюється оксид кальцію, розміщений по поверхні більш великих зерен.

Добавка водного розчину кремнійорганічної речовини до механоактивованої сировинної суміші веде до появи в'яжучих властивостей гідрофобізатора з отриманням при пресуванні міцного водостійкого матеріалу. Ефект підвищення міцності посилюється доданням активованих глин, що містять аморфизовані оксиди кремнію, алюмінію, магнію, та здібні гідратуватися і тим самим приймати участь у створенні міцних і стійких структуроутворюючих сполук.

Електронно-мікроскопічні дослідження структури матеріалу дозволили виявити обкутуючі відокремлення продуктів взаємодії ГКЖ-94 з компонентами сировинної суміші, які пов'язують і покривають частки матеріалу, забезпечуючи підвищення міцності зразків, високу водостійкість і морозостійкість (рис. 2).

Другим напрямком отримання стінових матеріалів на основі механоактивованої вапнякової сировини є використання безводної силікат-натрієвої зв'язки. Були досліджені сировинні суміші на основі вапнякових побіжних продуктів видобутку каменю і безводної силікат-натрієвої зв'язки (силікатної брили) та розробка і отримання стінових матеріалів. Технологічний процес грунтується на відокремленій підготовці механоактивованої зв'язки і вапнякового заповнювача, при цьому останній модифікувався зв'язкою у процесі інтенсивного перемішування. Оптимальні витрати силікатної брили у порівнянні з відомими технологіями зменшились з 30% до 10-- 20%, границя міцності матеріалу при стискуванні склала 22,9-- 58,6 МПа (табл.2).

Було встановлено, що введення у сировину суміш пиритних недогарків у кількості 5-- 20% підвищує міцність зразків у 2-- 2,5 рази, що пов'язане з їх активацією і хімічною взаємодією з продуктами гідролізу силікатної брили.

Рис. 2 Структура зразка, що містить (%, мас.): 85% вапнякових побіжних продуктів, 15% глини і 0,15% ГКЖ-94 (збільшення 10000х)

Таблиця 2

Фізико-механічні характеристики зразків на основі безводної
силікат-натрієвої зв'язки (БСНЗ)

Варто звернути увагу на процес виготовлення зв'язки. Оскільки аморфний кремнезем силікатної брили має високу хімічну активність по відношенню до оксиду кальцію, який утворюється при високошвидкісному подрібненні вапняку, механоактивацію силікатної брили проводили з добавкою вапняку у млині РМУ-100В. Кількість вапняку складала 10% від загальної його маси, що приблизно відповідає кількості малих часток розміром до 10 мкм, які дають найбільший внесок у внутрішню енергію матеріалу, що подрібнюється. Для збарвлюючого ефекту у в'яжучі вводились пиритні недогарки -- побіжні продукти виробництва сірчаної кислоти ВО “Титан”. У дослідженнях використовувалась силікатна брила ВО “Титан” з кремнеземистим модулем 2,9. Основний обсяг побіжних продуктів камнепилення подрібнювали у кульовому млині до 0 -- 2 мм, після чого вапняк модифікували активованим в'яжучим у лопатевому змішувачі, сировинну суміш зволожували до вологості 10% і при питомому тиску 25 МПа пресували зразки-циліндри. Теплову обробку зразків проводили у режимі: запарювання при 90-- 95о С -- 4 години, сушіння при 180-- 200оС -- 4 години.

Електронно-мікроскопічні дослідження структури зразків виявили кристалічні новоутворення від взаємодії гідросилікатів натрію і оксидів кальцію сплутано-волокнистої форми, частки вапняку і новоутворення від введення пиритних недогарків, що зшивають частки і агрегати вапняку і безводної силікат-натрієвої зв'язки.

Таким чином, модифікування вапнякових побіжних продуктів видобутку каменю механоактивованим в'яжучим на основі безводної силікат-натрієвої зв'язки вапняку і пиритних недогарків дозволило отримати зразки стінових матеріалів з міцністю до 58,6 МПа і підтвердити можливість використання у технологіях процесу модифікування речовин малими частками.

Вивчені вапняково-кремнеземисті сировинні суміші з використанням побіжних продуктів содового виробництва і було досліджено структуру матеріалів на їх основі. Рентгенофазовим і диференційно-термічним аналізами встановлено, що високошвидкісна механоактивація вапняково-кремнеземистої сировинної суміші на основі побіжних продуктів содового виробництва впливає на процес структуроутворення силікатного матеріалу при його гідротермальній обробці, що сприяє виникненню більш міцних однокальцієвих гідросилікатів CSH(B), які у сполученні з C2SH(A) утворюють міцний силікатний матеріал (рис. 3). Розроблено технологічний процес утилізації побіжних продуктів содового виробництва (карбонатні побіжні продукти процесу гашення вапна) шляхом приготування механоактивованого в'яжучого, що містить 70% побіжних продуктів содового виробництва і 30% кварцевого піску, змішування в'яжучого з вапняковими побіжними продуктами видобутку каменю і фарбуючою добавкою, вібропресуванням облицювальних плит та їх автоклавуванням. Отримані облицювальні плити середньої щiльностi 1600-- 1900 кг/м3 , з границею міцності при стисненні 5-- 10 МПа і морозостійкістю більш, ніж 25 циклів.

Рис. 3 Рентгенограми силікатних зразків (а -- сировинна суміш, що подрібнена у кульовому млині; б -- сировинна суміш, що подрібнена у млині РМУ-100В)

Важливим напрямком утилізації вапнякових побіжних продуктів видобутку каменю є отримання на їх основі теплоізоляційних порошків для засипки, які, наприклад, використовуються при безканальному прокладенні трубопроводів. Розширення функціональних можливостей порошків дозволяє значно зменшити капітальні витрати, економити дефіцитні матеріали, скоротити терміни будівництва.

На основі вапнякових побіжних продуктів видобутку каменю і гідролізного лігніну було розроблено порошковий матеріал, який окрім гідрофобних та теплоізоляційних властивостей має антикорозійний ефект. Цей ефект забезпечується наявністю у суміші гідролізного лігніну, антикорозійні властивості якого пов'язані з його здібністю утворювати комплексні сполуки з металами і, зокрема, з оксидами заліза і його сполуками. Гідролізний лігнін є відходом гідролізно-дріжджевих заводів в подрібненому і модифікованому вигляді являє собою порошковий перетворювач іржі (ППІ). Фізико-хімічною основою виробництва теплоізоляційного антикорозійного порошкового матеріалу є здібність гідролізного лігніну диспергуватися до розміру часток 2 мкм, взаємодіяти з оксидом кальцію, що утворюється при спільному високошвидкісному подрібненні вапнякових побіжних продуктів і гідролізного лігніну. Оксид кальцію взаємодіє з карбоксильними групами природного редокс-полімеру (гідролізного лігніну) з утворенням кальцієвої солі редокс-полімеру, яка може утворювати за рахунок функціональних груп -- спиртових, фенольних і карбоксильних -- комплексні сполуки з оксидами і гідрооксидами заліза. У результаті припиняється корозійний процес, тобто кальцієва сіль редокс-полімеру, яка утворилася, надає суміші антикорозійні властивості.

Було розроблено технологічні параметри отримання теплоізоляційного порошкового матеріалу шляхом високошвидкісного спільного подрібнення компонентів. При цьому встановлено, що високошвидкісне подрібнення вапняку спільно з ППІ за даними рентгенографічного аналізу приводить до створення кристалів кальциту (заменшення інтенсивності піків кальциту) у порівнянні з подрібненням без ППІ. Насипна щiльнiсть засипки 670--780 кг/м3, коефіцієнт теплопровідності 0,08-- 0,14 Вт/м К.

Механоактивація високошвидкісним подрібненням використана для розробки способу утилізації пилу клінкеровипалювальних печей цементного виробництва. Більше 80% пилу, що утворюється на цементних підприємствах і уловлюється пилостримуючими агрегатами, виділяється клінкеровипалюючими печами. Основним напрямком утилізації пилу печей є його використання безпосередньо у процесі виробництва цементу. За звичаєм пил різними способами повертають у піч або використовують у змішаних в'яжучих при виготовленні силікатної цегли і силікатних бетонів, асфальтових бетонів.

Розроблена технологія утилізації пилу обертових печей, суть якої полягає у високошвидкісному подрібненні і механоактивації цементного пилу і його синхронному зведенні у цементні силоси разом з портландцементом. Цементний пил від електрофільтрів, з пилоосадових камер і у суміші активували у млині РМУ-100В та подавали у портландцемент у кількості 3-- 15% (мас). З отриманого в'яжучого виготовлялися стандартні зразки на основі Вольського кварцевого піску та визначалися їх фізико-механічні властивості. Результати досліджень (табл.3) свідчать про позитивний вплив активованого пилу на міцність зразків.

Таблиця 3

Фізико-механічні властивості зразків на основі портландцементу з добавкою цементного пилу

Петрографічні дослідження структури цементного каменю з домішкою механоактивованого цементного пилу не виявили новоутворень, які приводять до виникнення дефектів і втрати міцності зразків. Оскільки цементний пил обертових печей містить підвищену кількість SO3 i Na2O+K2O, що регламентується стандартом, у порівнянні з портландцементом, обсяг пилу, який додають до ПЦ, обмежується сумарним вмістом у в'яжучому саме цих оксидів. Простий розрахунок показує, що для більшості цементних заводів обсяг пилу, що утилізується, не перевершує 5-- 7%. Зокрема, для Бахчисарайського цементного заводу ця кількість перевершує увесь обсяг пилу, що уловлюється, тобто увесь обсяг пилу може бути повністю утилізовано без зниження якісних характеристик портландцементу.

У шостому розділі досліджено фізико-механічні властивості будівельних матеріалів на основі механоактивованої вторинної сировини, розроблені технології їх виробництва з використанням нових конструкцій високошвидкісних млинiв-активаторів, приведені результати промислового освоєння технологій та визначено техніко-економічну ефективність виробництва. Приведено результати досліджень експериментальних партій рядкової і лицьової цегли, облицювальних плит, теплоізоляційної антикорозійної засипки, портландцементу з добавкою пилу обертових печей. Фізико-механічні характеристики виробів і матеріалів експериментальних партій свідчать, що використання механоактивації вторинної сировини дозволяє отримати будівельні матеріали з високими якісними показниками.

Було показано, що неможливо ефективно використовувати роздрібнювачі одного типу для механоактивації і модифікації багатьох твердих матеріалів із-за різноманітності їх властивостей і різної мети процесу механоактивації. Розроблено цілий ряд високошвидкісних млинів-активаторів нових конструкцій, в яких навантаження матеріалу здійснюється вільним ударом. В млинах першого типу вільний удар здійснюється робочими органами (билами) об частки матеріалу, у млинах другого типу -- співзіткненням часток між собою. Млини третього типу розроблені для отримання гомогенізованих двокомпонентних сумішей і для розподілу однокомпонентних сумішей на активовані потоки матеріалу різної дисперсності і рівня механоактивації. На основі експериментальних даних, аналітичних і емпіричних залежностей розроблено конструкторську документацію, виготовлено експериментальні зразки роторних млинів РМУ-100В, РМУ-1000Г і відцентрово-протипотоковий млин ВПМ. У результаті випробувань високошвидкісних млинів-активаторів і електронно-мікроскопічних досліджень подрібненого в них вапняку було встановлено, що частки матеріалу, подрібненого у млинах РМУ-100В і РМУ-1000Г мають однакову полідисперсність і розмір часток до 15 мкм. Вапняк, подрібнений в ВПМ має частки до 40 мкм.