Теоретические предпосылки внедрения СВЧ излучений при активации золы-вынос для бетонных смесей

Размещено на http://www.allbest.ru/

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПРЕДПОСЫЛКИ ВНЕДРЕНИЯ СВЧ ИЗЛУЧЕНИЙ ПРИ АКТИВАЦИИ ЗОЛЫ-ВЫНОС ДЛЯ БЕТОННЫХ СМЕСЕЙ

Сердюк В.Р., д.т.н., профессор,

Сидлак А. C. аспирант

Винницкий национальный технический университет

Хмельницкое шоссе, 95, 21021, Винница

Аннотация

На основе проведенных аналитических исследований разработаны теоретические предпосылки использования СВЧ излучений для активации золы-вынос. Приведены результаты испытаний предварительно активированной золы-вынос в качестве добавки в цемент.

Ключевые слова: СВЧ излучение в строительстве, теоретические предпосылки активации золы-вынос.

Анотація

ТЕОРЕТИЧНІ ПЕРЕДУМОВИ ВПРОВАДЖЕННЯ СВЧ ВИПРОМІНЮВАНЬ АКТИВАЦІЇ ЗОЛИ-ВИНОС ДЛЯ БЕТОННИХ СУМІШЕЙ

Сердюк В.Р. Сідлак О.С.

На основі проведених аналітичних досліджень розроблені теоретичні передумови використання СВЧ випромінювань для активації золи-винос. Наведено результати випробувань попередньо активованої золи-винесення в якості добавки в цемент.

Ключові слова: СВЧ випромінювання в будівництві, теоретичні передумови активації золи-винос.

Anotation

THEORETICAL BACKGROUND OF MICROWAVE RADIATION INTRODUCTION ACTIVATION FLY BROUGHT OUT FOR CONCRETE MIXTURES

V. Serdyuk, A. Sidlak

Based on the analyzes developed theoretical background TO USE microwave radiation to activate the ash-removal. Test results are preactivated-ash removal as an additive in cement.

Keywords: microwave radiation in the construction of the theoretical background of activation of ash-removal.

Сегодня СВЧ-энергетика играет существенную роль в быту, во многих отраслях экономики, связанных с обработкой пищевых продуктов, пластмасс, сушкой продуктов сельского хозяйства и древесины, затвердеванием и раскалыванием горных пород. СВЧ - энергетика относится к числу энергосберегающих, по этому, она вносит существенный вклад в энергосбережение.

Поглощение микроволнового излучения обусловлено действием двух факторов. Во-первых, движение диполей (полярных молекул или иных обособленных групп атомов) приобретает определенную ориентацию, связанную с характером наложенного поля. Когда интенсивность излучения уменьшается, ориентация, возникшая исчезает и хаотичность крутящего (и колебательного) движения молекул восстанавливается, при этом выделяется тепловая энергия. При частоте 2,45 ГГц ориентация диполей молекул и их разупорядочения может происходить несколько миллиардов раз в 1 секунду, что и приводит к быстрому разогреву образца. Второй фактор, особенно важен для тепловыделения в водных растворах, он обусловлен направленной миграцией присутствующих в растворе ионов под действием внешнего поля. Такая миграция ионов - это фактически протекающий через раствор электрический ток силой I. Прохождение тока через проводник с сопротивлением R приводит к выделению теплоты, пропорциональной IR². Так как сопротивление R растет с ростом температуры, а сила тока, переносится ионами и с ростом их концентрации, то оба эти фактора заметно влияют на тангенс потерь микроволнового излучения в растворах [1].

Поскольку, диэлектрический нагрев это метод нагрева диэлектрических материалов переменным во времени электрическим полем, то если электрическое поле изменяется со сверхвысокой частотой (СВЧ) в диапазоне 0,4 - 10 ГГц, то это СВЧ нагрев, если с частотой в диапазоне 10 - 100 кГц, то - нагрев токами высокой частоты (ТВЧ). Глубина проникновения электромагнитного поля в диэлектрическую среду определяется частотой, чем выше частота, тем меньше глубина проникновения и наоборот.

Быстрое внедрение СВЧ в практику научных исследований и технику стало возможным благодаря разработке недорогих и надежных СВЧ генераторов [2]. В последние годы наблюдается значительное возрастание интереса к практическому использованию СВЧ энергии в промышленных целях [3].

Отличительной особенностью диэлектрического нагрева от двух других, физически возможных способов нагрева - кондуктивного (от греющей стенки) или конвективного (горячим потоком теплоносителя, воздухом например) является объемность тепловыделения в нагреваемой диэлектрической среде.

К особенностям нагрева диэлектриков в диапазонах УВЧ и СВЧ следует отнести:

· на СВЧ при рациональном подборе частоты колебаний и параметров камер, где происходит преобразование СВЧ энергии в тепловую, можно получить относительно равномерное выделение тепла по объему тела;

· эффективность преобразования энергии электрического поля в тепло возрастает прямо пропорционально частоте колебаний и квадрату напряженности электрического поля;

· практически к любому участку нагреваемого тела просто передается СВЧ энергия;

· СВЧ нагрев обеспечивает возможность практически мгновенного выключения теплового воздействия на обрабатываемый материал;

· СВЧ нагрев имеет высокий КПД преобразования СВЧ энергии в тепловую энергию, теоретическое значение этого КПД близко к 100%;

· тепловые потери в подводящих трактах обычно невелики, и стенки волноводов и рабочих камер остаются практически холодными;

· СВЧ излучение обеспечивает возможность осуществления равномерного, избирательного, сверхчистого, саморегулирующегося нагрева.

Предварительные аналитические исследования, проведенные нами показывают, что при использовании СВЧ - излучения в области химии, строительных материалов особо важную роль наряду с объемным внутренним разогревом материала играет так называемый «нетермический» эффект СВЧ - излучения.

Цель работы. Исследование эффективности использования СВЧ-излучения при активации золы-унос.

Аналитические исследования. Нетермическое воздействие СВЧ - излучения в области цементных бетонов и других строительных материалов является недостаточно изученным, хотя имеется достаточно много примеров достаточно эффективного влияния нетермического эффекта микроволнового излучения на различные химические процессы.

Этот эффект проявляется при взаимодействии кислот и спиртов в отсутствии катализаторов - воздействие микроволнового излучения приводит к получению сложных эфиров с более высоким выходом за меньшее время по сравнению с термическими реакциями [4]. Обработка непредельных каучуков микроволновым СВЧ-излучением приводит к повышению прочностных показателей резин на основе этиленпропилендиенового каучука на 20-30%, хлоропренового - на 70-100%, ускорению вулканизации на 10-15% [5]. Применение микроволновых технологий позволяет сократить продолжительность деполимеризации (в 15 раз) и уменьшить энергозатраты при вторичной переработке (рециклинге) бывших в употреблении пластмасс (пластиковых бутылок из полиэтилентерефталата)[6].

Микроволновая обработка полем СВЧ глинистых композиций положительно отражается на прочностных свойствах обожженных изделий [7-8]. В работе [9] показано, что СВЧ нагрев образцов СаСО₃ в высокочастотном электромагнитном поле инициирует процесс диссоциации во всем объёме образца, при этом температура в центре образца на 50-60^oC выше, чем на поверхности. При СВЧ нагреве энергетические затраты на производство 1 кг продукции в 1,4 раза ниже в сравнении с затратами по традиционной технологии, а СаО имеет значительно большую реакционную способность.

Активацию адгезионных способностей наполнителей в цементных бетонах можно осуществлять воздействием на них ионизирующим излучений, электрическими и магнитными полями за счет увеличения их свободной энергии [10].

В работах [11, 12] показано, что под действием ультрафиолетового облучения (УФ) происходит изменение поверхности кремнезема, в результате чего образуются свободные валентности, играющие роль активных центров адсорбции. А в работе [13] показано, что УФ - обработка в течение 3-20 минут наполнителей фракции 0,14-0,315 мм. кварцевой лампой позволяет сократить расход цемента в бетоне до 20%.

Таким образом, СВЧ обработка компонентом бетонов, других строительных материалов представляет большой научный и практический интерес.

Результаты экспериментальных исследований. Активация золы-вынос Ладыжинской ТЭЦ проводилась нами с помощью микроволновой печи Daewoo KOG-6C27, мощностью 800 Вт. Оптимальная продолжительность СВЧ обработки составляла 26-30 минут, расчетная удельная мощность составляла 400-500 Вт/кг.

После СВЧ обработки проводились сравнительная оценка дисперсности активированой и неактивированой золы-вынос, путем оценки остатка на сите 008. Остаток на сите неактивированной и активированной соответственно составлял 21 и 15%. Насыпная плотность золы-вынос, согласно ДСТУ Б В.2.7-264:2011, составила для активированной и неактивированной соответствено 1170кг/м³ и 1205 кг/м³.

Активированую золу-вынос было рассмотрено как «условный цемент» и испытано по аналогии цемента. На рисунке 1 и 2 приведены сравнительные испытания водно-зольной смеси при В/Т=0,6 по аналогии испытания сроков схватывания цемента с активированной и не активированой золой-вынос Ладыжинской ТЭЦ.

Рисунок 1 - Динамика погружения иглы в водно-зольный раствор, зола активированная, аналогия схватывания цемента по прибору Вика.

Рисунок 2 - Динамика погружения иглы в водно-зольный раствор, зола неактивированная, аналогия схватывания цемента по прибору Вика.

Как видно из рисунка 1 и 2 динамика структурной прочности (аналог начала строка схватывания цемента) водо-зольной смеси с активированной золой наступает через 4 часа, тогда как этот показатель для неактивированной золы-вынос наступает через 5 часов 12 мин. Конец условного «схватывания» водно-зольной суспензии с активированной золы наступает через 5 ч 12 мин., а с неактивироованной - через 6 часов 50 мин.

После микроволновой обработки дисперсность золы - вынос увеличивается, она характеризуются значительно меньшими размерами частиц, следовательно, для них характерны высокие значения избыточной свободной энергии и они склонны к процессам когерентного срастания и агрегации первичных кристаллитов, что и обеспечивает прирост прочности за счет фактора облучения золы-вынос.

Поскольку активированная зола-вынос приобретает значительно раньше «структурную» прочность по сравнению с неактивированной золой, следовательно, активированная зола должна обеспечить большую прочность, как добавка в цементных смесях.

В таблице приведены составы цементно-песчаной смеси с добавкой активированной и неактивированной золы-вынос.

Таблица 1. Влияние СВЧ облучения золы-вынос на прочность цементнозольно-песчаных растворов через 14 суток

Сравнительные испытания зольно-цементной смеси проводились, с добавкой активированной и активированной золой-вынос при постоянном В/Т отношении равном 0,66 в соответствии с аналогией испытаний цементних образнов согласно ДСТУ Б В.2.7-187: 2009 [14].

Рисунок 3 - Динамика прочности цементно-песчаного раствора с добавкой активированной и неактивированной золы-вынос в возрасте 14 суток.

Облучение золы-вынос СВЧ излучением приводит к снижению насыпной плотности золы-вынос, по сравнению с неактивированной золой. Такое явление очевидно связано с удалением остатков углерода, присутствующих, как правило, в топливных золах и деструктивным действием СВЧ-излучения на частички золы.

Факт повышения дисперсности золы-унос под действием СВЧ-излучения подтверждают результаты, полученные другими авторами при облучении угля, глины, горных пород.

Проанализировав данные таблицы и рисунка 3 можно определить оптимальный состав цементнозольно-песчаного раствора. Наибольший прирост прочности от 101 до 111% наблюдается в образцах № 5 и 4, то есть, при соотношении в смеси зола-цемент 80 до 20 и 60 до 40% соответственно.

Выводы. После микроволнового воздействия частички золы - выноса характеризуются меншими размерами, следовательно, для них характерны более высокие значениями избыточной свободной энергии и они склонны к процессам когерентного срастания и агрегации первичных кристаллитов, что и обеспечивает прирост прочности за счет активированной золы-унос. Поскольку активированная зола - вынос приобретает дополнительную гидравлическую активность, она может успешно быть пользована в сочетании с другими техногеннными продуктами для производства низкомарочных вяжущих.

Внутренний разогрев материала за счет СВЧ-излучения при одновременном проявлении эффекта «нетермического» воздействия, могут найти применение при производстве гидравлических и воздушных вяжущих с использованием побочных продуктов промышленности. Большие перспективы имеет применение СВЧ-излучение для утилизации и переработки фосфогипсов, которые занимают большие территории и являются источником экологического загрязнения окружающей среды. Для нейтрализации кислотной составляющей содержание извести подбирается из расчета затрат на нейтрализацию фосфогипсов и ее избытка для поддержания высокощелочной среды. Вступая во взаимодействие с Н₃РО₄, с СаНРО₄, Са(Н₂РО₄)₂, Н₂SiF₆ и НF, она образует с ними стабильные соединения Са₃(Н РО₄)F, Са₅(НРО₄)ОН, Са₃(РО₄)₂, СаSiF₆, и НF. Результаты исследований, проведенных в ВНТУ показали, что водорастворимые фосфаты и флориды переходят в нерастворимые и не улетучивающиеся при термообработке соединения. Такой метод нейтрализации не требует дополнительных технологических переделов и экологически эффективен.

Взаимодействие СВЧ с предварительно нейтрализованным известью фосфогипсом, цементом и пуцолановыми добавками обеспечит создание малоэнегоемкой технологии изготовления водостойкого вяжущего.

Наличие активированной СВЧ-излучением золы-вынос, фосфогипса, извести и опоковидного мергеля в условиях одного региона (Винницкая область) создает благоприятные условия производства энергоэффективных аналогов известным алюмосульфатошлаковым цементам (АСШЦ), которые были разработаны в прошлом столетии в МГСУ (МИСИ). Они содержат 15-35% глиноземистого цемента или шлака, 20-50% полуводного СаSO₄, доменный или термофосфорный гранулированный молотый шлак и портландцемент марки 400 около 4-7%; прочность такого цемента 40-50 МПа.

излучение зола глинистый строительный

Литература

1. Архангельский Ю.С., Девяткин И.И. Сверхвысокочастотные нагревательные установки для интенсификации технологических процессов. - Саратов: Саратов. гос. ун-т, 1983. - 140 с.

2. Соколов И.В. Магнетроны для СВЧ нагрева и источники СВЧ энергии//Электронная промышленность. -1996. -№3. - С.4-9.

3. Плазменные процессы в производстве электронной техники/А.П. Достанко, С.В. Бордусов, И.В. Свадковский и др./Под общ. ред. А.П. Достанко.-Мн.: ФУА информ, 2001.- 244с.

4. Аверьянов Д.Н. Синтез сложных эфиров дикарбоновых кислот с бензиловым спиртом под воздействием микроволнового излучения/Д.Н. Аверьянов, А.В. Батраков, Я.Д. Самуилов и др.//Журн. общ. химии.- 2008. -Вып.10.-С.1684-1688.

5. Влияние микроволнового излучения на прочностные свойства эластомерных композиций на основе непредельных каучуков [Электронный ресурс] В.Ф Каблов, Н.А. Кейбал, Д.А. Провоторова и др. // Современные проблемы науки и образования. - РАЕ.-М,2014.-№5

6. Морозов О.Г., Самигуллин Р.Р., Насыбуллин А.Р. Микроволновые технологии в процессах переработки и утилизации бытовых полимерных отходов/ Известия Самарского центра Российской академиии наук. Т.12, №493). 2010.- С.580-582.

7. Женжурин И. А. Эффективность микроволновой обработки глинистых композиций при подборе шихты в технологии керамики. //Строительные материалы №4. 2014 - С.60-65.

8. Прохина А.В., Шаповалов Н.А., Латыпова М.М. Модификация поверхности глинистых минералов с высоким содержанием монтмориллонита в электромагнитном поле высокой частоты // Современные наукоемкие технологии. - 2011. - № 1 - С. 135-136.

9. Шахин И.Х., Шапорев В.П. Обработка природного карбоната кальция в СВЧ печи при воздействии поля бегущей электромагнитной волны//Интегрированные технологии и энергосбережение. - Харьков: НТУ "ХПИ". - 2004. -№2. - С.96-107.

10. Саломатов В.И., Дворкин Л.И., Чудновський И.М. Путиактивации наполнителей композиционных строительных материалов//Известия вузов. Строительство и архитектура. 1987. №1. - С. 62-63.

11. Киселев В.Ф., Крылов О.В. Адсорбционные процессы на поверхности полупроводников и диэлектриков. М.: Наука. 1978. 255 с.

12. Гладких Ю.П., Ядыкина В.В., Завражина В.И. Влияние УФ-облучения на физико-химическую активность кварцевого песка и процессы формирования цементно-песчаного бетона//Коллоидный журнал. 1989.Т.1№3. - 445-450.

13. Ядыкина В.В., Лукаш Е.А. Изменение поверхностных свойств наполнителей и цементных композитов под воздействием ультрафиолетового облучения./ Строительные материалы. 2007. №8 (632). -С. 49-50.

14. ДСТУ Б В.2.7-187:2009 Будівельні матеріали. Цементи. Методи визначення міцності на згин і стиск.

Размещено на Allbest.ru