Содержание к диссертации
Введение
Проблемы улучшения свойств глинистых грунтов нагревом и обжигом 11
1.1. История и современное состояние производства и применения термоукрепленных грунтов в строительстве 11
1.2. Физико-химические процессы, протекающие в глинистых грунтах при их термическом укреплении 25
1.3. Пути интенсификации технологических процессов термического укрепления глинистых грунтов 35
1.4. Цель и задачи исследования 43
Теоретическое моделирование процесса нагрева гранул глинистого грунта в потоке высокотем пературной среде горячего газа 47
2.1. Основы численного метода моделирования процесса конвективного нагрева дисперсных частиц грунта в потоках низкотемпературной плазмы 47
2.2. Численное моделирование процесса термоупрочнения частиц связного грунта в тепловом потоке низкотемпературной плазмы 52
Экспериментальные исследования состава и свойств гранул глинистого грунта при скоростной обработке в потоках низкотемпературной плазмы 62
3.1. Методы и приборы для исследования состава и свойств грунтов на различных стадиях тепловой обработки 62
3.2. Формирование структуры зерен керамического материала при скоростном термоукреплении глинистого грунта 70
3.3. Петрография гранул керамического материала, получаемого плазменным термоукреплением глинистых грунтов 77
3.4. Физико-механические свойства продукта скоростной высокотемпературной обработки глинистого сырья 84
4. Технологические особенности плазменного термоукрепления гранулированных глинистых грунтов 101
4.1. Технологическая схема термоукрепления гранулированных глинистых грунтов 101
4.2. Электродуговая установка для термоукрепления гранулированных глинистых грунтов 106
4.3. Особенности эксплуатации технологической установки, оборудованной электродуговым подогревателем 113
4.4. Оценка энергозатрат при производстве керамических материалов по традиционным и предлагаемой технологическим схемам 117
Результаты и основные выводы по работе 123
Литература 125
- Физико-химические процессы, протекающие в глинистых грунтах при их термическом укреплении
- Основы численного метода моделирования процесса конвективного нагрева дисперсных частиц грунта в потоках низкотемпературной плазмы
- Формирование структуры зерен керамического материала при скоростном термоукреплении глинистого грунта
- Особенности эксплуатации технологической установки, оборудованной электродуговым подогревателем
Введение к работе
Актуальность темы. Наращивание темпов нефте- и газодобычи в малоосвоенных районах России требует развития инфраструктуры. Отсутствие на этих территориях промышленных запасов горных пород, высокая стоимость щебня, гравийных и песчаных смесей существенно сдерживают темпы гражданского, промышленного, транспортного строительства. Одним из путей решения отмеченной проблемы может быть применение в основаниях зданий и сооружений местных глинистых грунтов, укреплённых вяжущими, технология применения которых достаточно глубоко проработана как теоретически, так и экспериментально. Однако применение в практике строительства подобных технологий ограничивает высокая стоимость производства работ, обусловленная транспортными потерями. Результаты исследований, выполненных в первой трети прошлого века отечественными и зарубежными учёными, свидетельствуют об эффективности применения в подобных случаях глинистых грунтов, подвергнутых термической обработке на месте производства работ.
Ряд способов глубинного и поверхностного укрепления грунтов в поле высоких температур успешно проверен в последние десятилетия на практике (Ломанович М.И., Литвинов И.М., Тюрин И.М. и др.) Тем не менее, труднопреодолимым препятствием в практическом решении вопросов термического укрепления грунтов в практике строительства является низкая эффективность использования традиционных источников тепловой энергии, выделяющейся при сжигании различных видов топлива.
Исследования последних лет показывают, что в условиях жёсткого дефицита энергоносителей термоукрепление глинистых грунтов может найти применение в практике строительства при применении технологий, обеспечивающих высокую температуру нагрева сырья, например, устройствами, генерирующими плазму (Г.А.Задворнев, Б.М.Зарубин, В.Н.Ефименко, В.П.Никитин, В.В.Сиротюк, А.П.Юрданов и др.). Однако внедрение таких
технологий в строительство возможно при соблюдении следующих актуальных условий, в той или иной мере теоретически разработанных и требующих дальнейшего развития:
исследования явлений и процессов, сопровождающих форсированный ввод тепловой энергии в глинистое сырьё, характеризуемое исходными минералогическим и гранулометрическим составами, физическими, водными и механическими свойствами;
обоснования моделей технологических систем, включающих скоростное высокотемпературное укрепление глинистых грунтов при помощи устройств, оборудованных электродуговыми подогревателями;
исследования эффективности технологических процессов и влияния последних на окружающую среду.
Актуальность темы исследования подтверждена экспертизами при конкурсном отборе работ, финансируемых Министерством образования Российской Федерации по Программе 2003г. "Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники" (Подпрограмма 211. Архитектура и строительство, раздел 211.02. "Строительные материалы, энергосберегающие и экологически безопасные технологии их производства", Проект: "Разработка технологии производства заменителя природных зернистых материалов для транспортного строительства в районах со слаборазвитой инфраструктурой", в реализации которого принимает активное участие соискатель ученой степени.
Объект исследования: - технология скоростной обработки глинистых грунтов с применением электродуговых источников тепловой энергии, совершенствующая существующие технологии производства пористых зернистых заполнителей.
Предметом исследования является установление закономеиностей процессов для оптимизации технологических параметров высокотемператур-
ной обработки глинистого сырья, повышения эффективности и уменьшения влияния на окружающую среду.
Цель работы: - разработка технологии скоростной высокотемпературной обработки глинистых грунтов при помощи электродуговых источников тепловой энергии в производстве искусственного зернистого материала.
Для достижения поставленной цели были сформулированы следующие задачи:
1. Исследовать явления и процессы, сопровождающие форсированный
ввод тепловой энергии в глинистое сырье.
2. Определить параметры эффективного технологического процесса
термического укрепления глинистого сырья, обеспечивающие производство
зернистого искусственного заполнителя, качество которого соответствует
требованиям к строительным материалам, применяемым в строительстве.
Разработать и создать технические средства для реализации технологии скоростной высокотемпературной обработки гранулированных глинистых грунтов,
Оценить эффективность технологии получения искусственного зернистого материала из глинистых грунтов, включающей применение устройств, оборудованных электродуговыми подогревателями, в условиях территорий со слаборазвитой инфраструктурой по критериям обеспечения показателей безопасности производства, минимума стоимости и энергозатрат.
Научная новизна работы состоит в следующем:
1. Научно обоснованы временной и температурный технологические режи
мы скоростной обработки глинистых грунтов в устройствах, оборудованных
электродуговыми подогревателями, а также оптимальный размер гранул сы
рья.
2. Разработаны и созданы технические средства, позволяющие получать
керамический зернистый материал фракции 5...15 мм по технологической
схеме включающей переработку глинистого сырья, его сушку, обжиг с последующей закалкой продукта термоукрепления и предусматривающей повторное использование конденсата, образующегося в сушильной камере, в блоке обработки сырья, оборотное водоснабжение производства, утилизацию твердых отходов.
3. Доказано, что искусственный зернистый заполнитель, получаемый по технологии скоростной высокотемпературной обработки глинистого сырья, по своим свойствам может быть отнесён к группе изделий строительной керамики и классифицирован как пористый неорганический заполнитель.
Практическая ценность работы состоит в решении задачи материалообеспечения строительства в районах, характеризующихся неразвитой инфраструктурой, отсутствием месторождений каменных материалов и выражена в разработке технологической схемы производства зернистого керамического материала, включающей добычу и переработку (включая грануляцию и сушку) сырья, его высокотемпературную обработку и охлаждение, с учетом условий мобильности основного технологического оборудования, экологической безопасности и экономической эффективности.
Автор защищает совокупность положений, теоретически и экспериментально установленных закономерностей, позволяющих рекомендовать технические и технологические решения в практику, например, при возведении малоэтажных зданий и притрассовых сооружений.
Методология работы. При исследовании процесса высокотемпературной обработки гранул глинистых грунтов использованы современные представления в области техники и теплофизики, разработанные научными школами институтов теплофизики СО РАН и им. А.В.Лыкова АН Беларуси, МГУ, ТГАСУ, СибАДИ.
Достоверность основных положений, выводов и рекомендаций гарантирована необходимым объемом статистики, применением современных методов расчёта и лабораторного оборудования, обеспечивающих достаточный уровень надежности результатов математического моделирования и измере-
ний физических величин. Данные о потребительских свойствах нового искусственного зернистого материала и соответствие их требованиям действующих нормативных документов подтверждены внешней экспертизой Кузбасского центра дорожных исследований.
Реализация результатов исследований:
Разработанная технология прошла опытно-промышленную апробацию в Томском государственном архитектурно-строительном университете, на Сибирском химическом комбинате и в настоящее время ведутся подготовительные работы к строительству объектов на территории Севера Томской области.
Приведённые в диссертации данные включены разделами лекционных курсов: "Технология и организация строительства автомобильных и городских дорог", "Строительные материалы" учебного плана специальности 29.10 Строительство автомобильных дорог и аэродромов всех форм обучения студентов Томского государственного архитектурно-строительного университета.
Апробация работы. Материалы диссертации были доложены и об-
суждены на конференциях, семинарах и совещаниях: Научно-техническая конференция "Особенности проектирования и строительства автомобильных дорог в условиях Северо-Запада" (г. Архангельск, 1988г.); Научно-техническая конференция "Использование отходов промышленности при строительстве и эксплуатации автомобильных дорог в нечерноземной зоне РСФСР" (г. Владимир 1990г.); Всесоюзная научная конференция "Применение отходов промышленности и местных строительных материалов при строительстве и ремонте автомобильных дорог" (г. Владимир, 1991г.); 34 научно-техническая конференция (г. Кемерово 1991 г); Всероссийская международная научно-техническая конференция (г. Омск, 1994г.); Международный симпозиум "Реконструкция - Санкт-Петербург 2005" (Санкт-Петербург,
1994г.); Межвузовская научно-техническая конференция "Материалы, технология, организация строительства" (г. Новосибирск, 1994 г.); Российская научно-техническая конференция "Экономия энергии при строительстве, эксплуатации автомобильных дорог" (г. Суздаль, 1995г.); Всероссийский семинар - совещание руководителей научных и проектных организаций (г. Суздаль, 1998г.); Всероссийская научно-техническая конференция "Актуальные проблемы строительного материаловедения" (г. Томск, 1998 г.); Международный научно-технический семинар "Нетрадиционные технологии в строительстве" (г. Томск, 1999г.); Научно-техническая конференция "Архитектура и строительство" (г. Томск, 1999г.); Всероссийская научно-техническая конференция "Пути повышения и эффективности строительства, реконструкции, содержания автомобильных дорог и искусственных сооружений на них" (г. Барнаул, 2001г.); Всероссийская научно-техническая конференция "Архитектура и строительство" (г. Томск, 2002г.).
Структура диссертации. Во введении показаны актуальность работы, научная новизна и практическая ценность, сформулированны цель и задачи исследования. В первой главе представлен анализ существующих способов улучшения свойств грунтов применительно к районам, где отсутствуют промышленные запасы гравийно-песчаных и песчаных пород. Во второй главе изучены закономерности распределения температурных полей по радиусу гранулы глинистого сырья, находящегося в высокотемпературной среде рабочего газа и определены технологические параметры обработки. В третьей главе обсуждаются результаты экспериментального исследования формирования структуры и свойств керамического материала в процессе термообработки, прочностные и деформационные характеристики материала, определяющие возможность его применения в дорожном строительстве, а также проверки соответствия теоретических основ процесса теплопереноса с полученным эффектом тепловой обработки. Четвертая глава посвящена технологическим аспектам производства искусственного каменного материала с при-
менением в качестве источника тепловой энергии электродуговых обогревателей. Здесь приведены результаты оценки эксплуатационной и экономической безопасности разрабатываемой технологии, рассмотрена эффективность производства и применения в дорожном строительстве зернистого керамического материала, получаемого по разрабатываемой электроплазменной технологии.
Автор выражает глубокую благодарность проф. Н.А. Цветкову, доц. Г.В. Пушкаревой, доц. СМ. Путятину, доц. Е.Н. Путятиной за проявленный интерес к проводимым исследованиям и неоценимую помощь в процессе работы.
Физико-химические процессы, протекающие в глинистых грунтах при их термическом укреплении
Экспериментально-теоретические исследования П.А. Замятченского, М.М. Филатова, В.М. Безрука, А.Н. Лутохина, М.И. Ломановича и др., выполненные еще в 20 - 40-е годы прошлого столетия, позволили описать процессы, протекающие в обжигаемых грунтах. Значительную лепту в расширение представлений о процессах, сопровождающих тепловую обработку грунтов в последние десятилетия внесли специалисты ВНИИстрома, НИИкерамзита, Гипрострома, ВНИИФа и многих других организаций. В настоящее время в технической мелиорации [37, 50, 51] в зависимости от температуры и длительности нагрева выделяют несколько стадий термического укрепления связных грунтов, в частности, прогрев, обжиг и клинкерный обжиг. Основные процессы, сопровождающие тепловую обработку грунтов, включают: дегидратацию частиц и минералов; агрегацию частиц; размягчение дисперсной части, приводящее к спеканию и преобразованию структуры грунта; диссоциацию карбонатов и частичное разрушение алюмосиликатов с образованием аморфного кремнезема, что способствует выделению кальциевых силикатов и алюмосиликатов и возникновению у них гидравлических вяжущих свойств; плавление и кристаллизацию. Общее представление о физико-химических процессах, сопровождающих тепловую обработку глинистых пород, можно получить, воспользовавшись схемой, разработанной СП. Онацким [12] и представленной на рис. 1.2.
В зависимости от различий в строении, многообразия сочетания минералов, температуры и длительности нагрева в связных грунтах преобладают те или иные процессы [52, 53, 54]. По этой причине диапазоны температур, соответствующие перечисленным выше стадиям термической обработки грунта и отмечаемые рядом авторов [51, 55, 56], как правило, не совпадают.
Следуя данным, приведенным в работах [37, 51, 57], прогрев грунта при температуре 300...500 С в течение 5...8 часов приводит к последовательной потере им свободной, капиллярной, физически и химически связанной воды. Значительное уменьшение пластичности минералов каолинитовой группы наблюдается при температуре 250...270 С [58]. Однако вода минералов этой группы находится преимущественно в виде ОН-ионов [59]. Поэтому удаление ее происходит в довольно узком интервале температур (400...600С) [60, 61, 62]. Монтмориллониты начинают терять воду при сравнительно низкой температуре 100... 200 С [63, 64, 65]. При этом, по мнению Р.Э. Грима, происходит потеря почти всей межслоевой воды, а по данным работ [66, 67], удаление остатков различных форм воды из глинистых минералов монтмориллонито-вой группы продолжается и при более высоких температурах. Дифференциальные кривые нагревания грунтов, минеральный состав которых включает монтмориллонит и гидрослюду, приведенные в некоторых работах, например [68, 69, 70], свидетельствуют о наличии эндотермического эффекта в интервале температур 580...650 С, что характерно для большинства глин смешанного минералогического состава. Параллельно с процессами дегидратации основных минералов глин, их диссоциации, образования новых химических соединений то же происходит и с другими минералами, находящимися в связных грунтах. Например, окислы железа дегидратируют при 150...350 С, сернистое железо - пирит Fe2 окисляется в Fe2 Оз с выделением сернистого ангидрида S02, двуводный гипс CaS04 2Н20 превращается в полуводный CaSC 4 0.5Н2О при 150...200 С [71].
В процессе обезвоживания частицы грунта соединяются в агрегаты, уменьшается их обменная способность. Связные грунты утрачивают отрицательные с точки зрения строительства автомобильных дорог свойства - снижают пластичность и липкость, частично приобретают водоустойчивость, сохраняющуюся во времени. Детальный анализ изменения свойств связных грунтов при их нагреве до температуры 400 С с позиций требований дорожного строительства приведен в работе М.И. Ломановича [30]. В частности, он отмечает, что прогрев покровного суглинка обеспечивает снижение липкости по сравнению с результатами испытаний грунта, не подвергавшегося тепловому воздействию, примерно в три раза. По данным И.М. Литвинова [160 72], нагретые до 400...600 С лессовые грунты приобретают розовато-красную окраску, имеют хорошую водоустойчивость и полностью сохраняют свою структуру, находясь в воде более 6 лет. Коэффициент просадочности у этих грунтов уменьшается в 20 и более раз. Прочность прогретого грунта, по результатам исследований B.C. Подъяко-нова [73], повышается при одноосном сжатия до 0.1 МПа.
Работами ряда крупнейших русских ученых (В.И. Вернадский, П.А. Земятченский, Д.С. Белянкин, П.П. Будников и др.), а также их школами доказано, что при температурах ниже 900 С между основными сырьевыми компонентами керамических масс существенных химических взаимодействий не происходит. Вместе с тем, дифференциальные термограммы, показанные в работах [59, 74, 75], отражают характерный для большинства глинистых грунтов экзотермический эффект в интервале температур 900...950 С. Поэтому можно считать, что тепловая обработка глинистых грунтов при температуре 600...950 С соответствует второй стадии терминеского укрепления связных грунтов - обжигу. Согласно существующим представлениям [44, 67, 76], превращения глинистого вещества на стадии обжига включают де карбонацию углекислых соединений кальция и магния. При этом, например, СаС03 разлагается с выделением СО2, a CaS04 - с выделением SCb- У каолинита, монтмориллонита, гидрослюды и хлорита полностью разрушается кристаллическая решетка, и они переходят в аморфное состояние. Происходит образование силикатов, алюмосиликатов и алюмофер-ритов, а также продуктов обжига и термической диссоциации в виде СаО, MgO, Fe203 и других соединений. Перечисленные процессы в значительной мере способствуют улучшению физико-механических свойств связных грунтов. На этой стадии укрепления наблюдается изменение гранулометрического состава (опесочива-ние) керамического сырья [31], резко снижается степень его регид-ратации. Независимо от минералогического состава грунтов, обжигаемых при температурах 600... 700 С, роль регидратации в изменении их пластических свойств и чувствительности к сушке становится минимальной [77, 78].
Среди комплекса физико-химических изменений, протекающих в связных грунтах при температуре выше 950 С (клинкерный обжиг), и составляющих основу керамической технологии, выделяют [44, 59, 79] процессы рекристаллизации, реакции в твердых фазах и реакции с участием жидкой фазы. Результаты исследований, приведенные в работах [80, 81], показывают, что изменение минералогического состава обжигаемой сырьевой смеси может происходить и при более низких температурах. Например, М.В. Коугия и И.А. Гнедина [80] получили данные, согласно которым экзотермические реакции в присутствии твердой фазы наблюдаются в некоторых глинистых породах уже при температуре 500...600 С.
Основы численного метода моделирования процесса конвективного нагрева дисперсных частиц грунта в потоках низкотемпературной плазмы
Краткий обзор литературных источников и анализ результатов исследовании позволяют сделать следующие выводы. 1. Реальный путь расширения сырьевой базы, уменьшения транспортных затрат при строительстве в отдаленных районах, обеспечения работоспособности дорожных одежд в период эксплуатации автомобильных дорог - применение местных глинистых грунтов, термоукрепленных различными способами. Физико-химические процессы, сопровождающие термоукрепление грунтов, обеспечивают их полную дегидратацию, изменение химико-минералогического состава и приобретение ими потребительских свойств, отвечающих требованиям действующих нормативных документов. 2. Специфике поточной организации производства работ при линейном сооружении автомобильных дорог в наибольшей мере соответствуют индустриальные способы поверхностного термоукрепления связных грунтов. Однако действующие в настоящее время промышленные производства зернистых керамических материалов предполагают применение крупногабаритного и металлоёмкого основного оборудования - что обусловливает возможность их дислокации лишь в местах сосредоточенного строительства. Кроме того, основное технологическое звено производства искусственных каменных материалов - промышленные печи, отличаются крайне низким (25...55%) КПД топливоиспользования и высоким уровнем антропогенного загрязнения природной среды. 3. Прогнозируемые изменения в топливно-энергетическом балансе в реальное сокращение поставок высококачественного топлива (природный газ, нефть и нефтепродукты) на предприятия промышленности строительных материалов стимулирует развитие теплотехнических систем, формируемых на новой энергетической основе и предполагающих использование нетрадиционных источников энергии или их сочетания, отличающихся значительной эффективностью. Потенциальными источниками тепловой энергии при этом могут быть электроплазменные устройства, применение которых в технологии получения пористых керамических материалов может открыть перспективы миниатюризации производства, обеспечения его мобильности, снижения требований к составу и однородности минеральной части и дисперсности сырья, что в совокупности может в значительной мере способствовать интенсификации строительства автомобильных дорог. 4. Поскольку совершенствование любых технологических систем наиболее эффективно при условии сохранения ключевых этапов и операций, целесообразность которых проверена многолетней практикой применения в производственных условиях, за основу плазменной технологии термического укрепления связных грунтов можно принять существующую схему и комплекс вспомогательного оборудования, используемые при производстве традиционных зернистых керамических материалов. 5. Применение новых для промышленности строительных материалов с строительства способов и источников нагрева керамического сырья позволяет предположить, что формирование состава и свойств продукта интенсивной тепловой обработки будет в определённой мере отличаться от процессов, связанных с получением зернистых керамических материалов при помощи традиционных источников тепловой энергии. В отмеченных условиях необходима разработка технологической схемы производства искусственного материала, исследование условий формирования потребительских свойств продукта плазменной обработки и обоснование требуемых режимных параметров. Слабая изученность процессов, сопровождающих форсированный ввод тепла в керамическое сырьё, вызывает необходимость исследований особенностей протекания физико-химических реакций, формирования микроструктуры, физико-механических и водно-физических свойств. С учётом изложенного цель исследований заключалась в разработке технологии скоростной высокотемпературной обработки глинистых грунтов при помощи электродуговых источников тепловой энергии в производстве искусственного зернистого материала. Для достижения поставленной цели были сформулированы следующие задачи: 1. Исследовать явления и процессы, сопровождающие форсированный ввод тепловой энергии в глинистое сырье. 2. Определить параметры эффективного технологического процесса термического укрепления глинистого сырья, обеспечивающие производство зернистого искусственного заполнителя, качество которого соответствует требованиям к строительным материалам, применяемым в строительстве. 3. Разработать и создать технические средства для реализации технологии скоростной высокотемпературной обработки гранулированных глинистых грунтов. 4. Оценить эффективность технологии получения искусственного зернистого материала из глинистых грунтов, включающей применение устройств, оборудованных электродуговыми подогревателями, в условиях территорий со слаборазвитой инфраструктурой по критериям обеспечения показателей безопасности производства, минимума стоимости и энергозатрат.
Формирование структуры зерен керамического материала при скоростном термоукреплении глинистого грунта
Исследование изменений состава и свойств глинистых грунтов в процессе термической обработки, оценка потребительских свойств и пригодности продукта плазменного укрепления - зернистого керамического материала для строительства оснований дорожных одежд, проверка правильности теоретических положений, сформулированных во втором разделе, проведено на современном лабораторном оборудовании, которым располагают подразделения МГУ, института теплофизики СО РАН, Томского государственного архитектурно-строительного университета. Исследования включали работы по определению химико-минералогического состава, микроструктурных, те-плофизических, физико-механических и водно-физических свойств образцов сырца из глинистого грунта различной степени тепловой обработки.
Минералогический состав образцов грунта исследован дифрактометри-ческим и термогравиметрическим методами. Препараты глинистой фракции грунтов размером менее 1 мкм исследованы на дифрактометре ДРОН-3 при Си, Ка излучении с Ш фильтром. Количественный состав минералов в порошковых препаратах грунта определен при помощи установки ДРОН-УМ1 при Со из лучении с Fe фильтром. Полученные при этом дифрактограммы автоматически перерассчитаны при помощи ЭВМ по программе, разработанной в лаборатории кафедры "Инженерная геология и охрана природы" МГУ. Термогравиметрический анализ свойств образцов грунта осуществлен на де-риватографе марки "Derivatograph ОД-102М" в режиме 10 С в минуту до температуры 1000 С. Расшифровка дифрактограмм и дериватограмм исследуемых образцов грунта выполнена с учетом рекомендаций работы [102].
Анализ макро- и микроструктурных особенностей глинистого сырья на разных стадиях тепловой обработки проведен в соответствии с положениями работ [106, 135,] на основе кристаллооптических исследований шлифов с помощью поляризационного микроскопа, а также при изучении препаратов с использованием растрового микроскопа "Хитачи S-800" и электронного просвечивающего микроскопа ЭМ-125, позволяющих получить микрофотографии структур образцов значительного увеличения.
Химический состав грунта установлен калориметрическим методом. Методика исследования образцов принята с учетом рекомендаций работы [129] и осуществлена по следующей схеме. Измельченные навески грунта, соответствующие определенной степени тепловой обработки, помещались в дистиллированную воду (отношение воды и грунта 1/5) и перемешивались механической мешалкой постоянно в течение 5 суток. По окончании перемешивания смесь обезвоживалась при помощи центрифуги и подвергалась испытанию в приборе "рН-340" для определения водородного показателя. Исходную (дистиллированную) воду, а также отжатую центрифугированием, воду подвергали химическому анализу.
Имеющиеся в ряде работ, например [123, 130], сведения о температурной зависимости теплопроводности связных грунтов сооответствуют узкому интервалу положительных температур, верхний предел которого не превышает нескольких десятков С. При определении значений коэффициента теплопроводности грунта, характеризующих различные стадии термоукрепления, были приняты следующие допущения. Подразумевалось, что зависимость теплопроводности образца грунта от температуры носит опосредованный характер, то есть l(t) =Я [G (t)J, где G - обобщенный параметр, зависящий от комплекса свойств исследуемого грунта, включая физические, химические и др. Как отмечалось ранее, термическое укрепление глинистых грунтов сопровождается необратимыми изменениями их свойств. Это позволяет считать, что прогрев грунт до определенной температуры и сделав при ней выдержку во времени, можно зафиксировать некоторые свойства, которые будут определять теплопроводность образцов, на принятой стадии тепловой обработки. В этом случае теплопроводность грунта можно определять при естественной комнатной температуре. С учетом отмеченного методика эксперимента включала следующие этапы. 1. Изготовление из связного грунта образцов в виде таблеток диаметром 15 мм и толщиной 2...5 мм, с плотно-стью 1,8 г/см с последующим их высушиванием в термостате при температуре 100 ОС в течение 4 часов. 2. Измерение теплопроводности воздушносу-хих образцов грунта в диапазоне температур 20...200 С. 3. Тепловая обработка исходных образцов грунта в электропечи до фиксированных значений температуры - 400, 600, 800, 1000 и 1200 С с последующей выдержкой их на каждом этапе прогрева и обжига в течение 15 мин. 4. Измерение значений коэффициентов теплопроводности образцов грунта, нагретых до указанных температур.
Определение теплопроводности грунта в зависимости от температуры осуществлено на автоматизированном X -калориметре монотонного режима нагрева, разработанном сотрудниками лаборатории теплофизических свойств веществ ИТФ СО РАН [131]. Непосредственное измерение при помощи этого прибора включает оценку температуры калориметрического блока и образца грунта. По этим параметрам при помощи компьютерной программы АКСА-МИТ-А на ПЭВМ рассчитано тепловое сопротивление, а далее, с учетом геометрии образца - его теплопроводность.
Водно-физические и механические свойства исходного и термоукреп-ленного грунта получены по стандартным методикам, а также действующих ГОСТах. Физическое моделирование процесса высокотемпературной обработки образцов связного грунта осуществлялось с применением лабораторных стендов, изготовленных на базе серийно выпускаемого плазменного генератора ПРВ 402-58, а также в электропечи марки СУОЛ - 0,4.4/12-М2-У4.2, которая обеспечивает нагрев материалов до 1250 С, с шагом в 25 С.
Лабораторные стенды при наличии в них существенных конструктивных отличий обеспечили необходимый эффект плазменного термоукрепления связных грунтов. Так, стенд, представленный на рис.3.1, состоит из трех модулей, собранных в единую конструкцию при помощи рамы (1). Первый модуль предназначен для подачи исходного гранулированного сырца в реакторный модуль и включает бункер-накопитель (2), двигатель РД-09 (3) с редукцией 1/137 и шнековый питатель (4). Частота вращения шнека установлена экспериментально и составляет 8,7 об/мин. Второй модуль - реакторный блок представляет собой вертикально размещенную трубу с внутренним диаметром 0,09 м, собранную из отдельных секций (5) длиной 0,3 м каждая. Укрепляемый материал, перемещаясь навстречу тепловому потоку газа, замедляет свое движение за счет специально встроенных в секциях блока лопаток (6). Нижняя секция реактора, контактирующая с третьим модулем стенда и испытывающая наиболее высокие температурные воздействия, имеет защитное покрытие внутренней поверхности, выполненное из шамота.
Особенности эксплуатации технологической установки, оборудованной электродуговым подогревателем
При эксплуатации электроплазменных установок должны быть приняты необходимые и достаточные меры, обеспечивающие безопасную работу обслуживающего персонала. Особенностью технологической установки для высокотемпературной обработки глинистых грунтов является необходимость защиты работающих от поражения электрическим током, от шума и вредных веществ, от попадания на незащищенные части тела интенсивного излучения видимой и ультрафиолетовой областей спектра. Установка должна удовлетворять требованиям "Правил устройства электроустановок", "Правил технической эксплуатации электроустановок потребителей", "Правил техники безопасности при эксплуатации электроустановок потребителей", "Правил защиты от статического электричества", утвержденных Госэнергонадзором. Кроме того, электроплазменная установка для высокотемпературной обработки гранулированных связных грунтов должна соответствовать требованиям системы стандартов безопасности труда, а именно: требованиям ГОСТ 12.2.007-75, распространяющегося на электротехнические изделия, а также [156].
Определенную опасность для обслуживающего персонала представляют электроплазменные процессы, проводимые вручную, например, сварка, резка, напыление, строжка, наплавка и металлизация. На стадии разработки проектов электроплазменных установок следует предусматривать все меры по снижению шума, воздействующего на персонал в соответствии с ГОСТ 12.1.005-76 и "Санитарными нормами проектирования промышленных предприятий" СН 245-71 [155]. Достаточно мощными средствами защиты от шума при эксплуатации технологической установки для производства керамического дорожно-строительного материала может явиться герметизация плазменного реактора и обеспечение его дополнительным кожухом для водяного охлаждения или футеровка из огнеупорных материалов, установка фильтров в источниках питания, а также наличие дистанционного управления процессом из закрытого помещения со щита технологического контроля.
Температура нагретых поверхностей технологического оборудования при производстве керамического материала не должна превышать 45 С. Герметизация плазменного реактора полностью исключает возможность ожога открытых участков кожи операторов технологической линии потоками светового излучения видимой и ультрафиолетовой областей спектра, сопровождающего работу электродуговых плазмотронов. Тем не менее, персонал, обслуживающий электроплазменные установки, обязан располагать специальными светофильтрами, соответствующими ГОСТ 9497-60 или щитками защитными по ГОСТ 12.4.025-76 и спецодеждой, соответствующей требованиям строительных норм и правил.
В соответствии с существующими нормами производство керамита можно отнести к IV классу предприятий строительной промышленности (производство керамических и огнеупорных изделий), размер санитарно-защитной зоны для которых составляет 300 м. На установке обращаются вещества 2 го (оксиды азота) и 3 г0 (карбомид) классов опасности. Согласно СН 245-71 содержание в воздухе рабочей зоны вредных газов, паров и пыли не должно превышать предельно допустимых (максимально разовых) концентраций, напри-мер, по оксидам азота (в пересчете на NO2) - 5 мг/м . При этом расчетная максимально разовая концентрация NO2 для промышленной площадки составляет 1,7 мг/м , а для населения в селитебной зоне 0,085 мг/м [156].
Из условий безопасности окружающей среды и защиты атмосферного воздуха оборудование блоков установки, связанных с получением газообразного азота и сжатого воздуха, а также плазменный реактор должны быть герметичными. Безопасность операторов технологической линии обеспечивается, как уже отмечалось, средствами индивидуальной защиты. Выполнение ряда операций, например, разгрузка готового продукта из реактора и пыли из циклона, растворение мочевины и приготовление известкового молока, осуществляют в респираторе. Помещение щита техноконтроля и временный разборный модуль для размещения оборудования технологической линии по производству керамического материала оснащается естественной вентиляцией.
При разработке плазменной технологии получения керамического материала представляется важной оценка степени загрязнения атмосферного воздуха, водоемов и почвы вредными веществами при эксплуатации технологической установки. Зависимость концентрации выбрасываемых в атмосферу примесей от метеорологических и технологических факторов можно установить по формуле где См - величина максимальной приземной концентрации вредных веществ, выбрасываемых из одиночного источника, мг/м; А - коэффициент, зависящий от температурной стратификации атмосферы и определяющий условия вертикального и горизонтального рассеивания вредных веществ в атмосферном воздухе, с мг град /г; М - количество вредного вещества, выбрасываемого в атмосферу, г/с; F - безразмерный коэффициент, учитывающий скорость оседания вредных веществ в атмосферном воздухе; тип, - безразмерные коэффициенты, учитывающие условия выхода газовоздушной смеси из устья источника выброса; ц - коэффициент, учитывающий влияние рельефа местности; Н - высота источника выброса над уровнем земли, м; AT - разность между температурой выбрасываемой газовоздушной смеси Тг и температурой окружающего атмосферного воздуха Те , град; V] - объем газовоздушной смеси, м /с, определяемый по формуле.
