Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Состояние проблемы и задачи исследований 11
1.1. Строительные вяжущие вещества 11
1.2. Использование отходов производства при получении вяжущих веществ 12
1.3. Бесцементное вяжущее вещество из отходов производства 19
1.4. Механохимическая активация исходных веществ 21
Заключение по главе 1.
Постановка задачи исследования 24
ГЛАВА 2. Исследование физических свойств, химического и минерального составов исходных материалов 25
2.1 Методика исследования и описание оборудования 25
2.2. Исследование исходных материалов 27
2.2.1. Зола-унос Абаканской ТЭЦ 27
2.2.2. Зола Юргинской ТЭЦ 30
2.2.3. Зола Новосибирской ТЭЦ 32
2.2.4. Отработанная формовочная смесь литейного производства ОАО «Абаканвагонмаш» («горелая земля») 34
2.2.5. Отработанная формовочная смесь литейного производства ОАО «Юрмаш» 37
2.2.6. Продукт высокоглиноземистый (ПВГ) 39
2.2.7. Гранулированный шлак Абаканской ТЭЦ 40
2.2.8. Гранулированный шлак Юргинской ТЭЦ 42
Выводы по главе 2 44
ГЛАВА 3. Получение бесцементного вяжущего и мелкозернистого бетона на его основе из вторичных минеральных ресурсов 45
3.1. Исследование взаимодействия механохимических активированных оксидов и измельченных отходов 45
3.2. Активация смеси... 48
3.3. Приготовление и испытание образцов нового вяжущего 52
3.4. Разработка состава мелкозернистого бетона на основе бесцементного вяжущего 55
3.4.1. Экспериментальные исследования по разработке состава мелкозернистого бетона 55
3.4.2. Усадка бетона 57
3.4.3. Ползучесть бетона 59
3.4.4. Исследование морозостойкости мелкозернистого бетона 60
3.4.5. Испытание мелкозернистого бетона на водонепроницаемость 61
3.4.6. Испытание мелкозернистого бетона на водопоглощение 62
Выводы по главе 3 62
ГЛАВА 4. Оценка оптимальной продолжительности обработки смеси композиционного вяжущего на основе математического моделирования 64
4.1. Методы оптимизации на основе математического моделирования 64
4.2. Одномерные задачи оптимизации 65
4.3. Оптимизация продолжительности механохимической обработки смеси 68
Выводы по главе 4 80
ГЛАВА 5. Реализация результатов исследований и предложения по их развитию 81
5.1. Исследования по получению нового композиционного вяжущего на мельницах промышленного и полупромышленного типа 81
5.1.1. Принцип действия полупромышленных мельниц-активаторов 82
5.1.2. Изучение свойств смесей 84
5.2. Методика исследования активированных смесей 86
5.2.1. Минеральный состав и текстура смесей 87
5.2.2. Химический состав 89
5.3 Технологическая схема и рекомендации по производству мелкозернистого бетона на основе нового вяжущего 89
Выводы по главе 5 91
Основные выводы 92
Библиографический список 94
Приложения 112
- Использование отходов производства при получении вяжущих веществ
- Зола-унос Абаканской ТЭЦ
- Приготовление и испытание образцов нового вяжущего
- Оптимизация продолжительности механохимической обработки смеси
Введение к работе
Акіуальность работы
Существующие технологии производства цементных вяжущих веществ являются весьма трудоемкими и энергоемкими процессами, включающими добычу материала из недр земли, его обогащение и многоступенчатую обработку (дробление, помол, сушка обжиг и снова помол), а также экологически вредными веществами нерационального использования природных ресурсов; загрязнения окружающей среды (земли, воды и атмосферы). Все это приводит к высокой стоимости цементных вяжущих и бетонов на их основе.
По данным министерства топлива и энергетики Российской Федерации (Минтопэнерго), в 2002 году годовой выход зол и шлаков тепловых электростанций составил 150 млн. тонн, а использовано только 12% от общего выхода.
В мировой и отечественной практике разработано много различных составов и технологий композиционных и смешанных вяжущих (в том числе и бесцементных) и бетонов на основе зол ТЭС и других вторичных минеральных ресурсов (BMP) однако их качественные, экологические и экономические показатели, а также энергоемкость производства не соответствует современным требованиям. Это обуславливает необходимость создания новых составов и технологий вышеуказанных материалов преимущественно из BMP (запасы которых начинают превалировать перед природными) с показателями, не только не уступающими, а превосходящими традиционные.
Работы по созданию новых вяжущих материалов из BMP (бесклинкерных и безобжиговых) с использованием планетарных мельниц нового поколения являются весьма перспективными при решении вышеуказанных задач.
Работа выполнялась в соответствии с Федеральной целевой программой (ФЦП) «ИНТЕГРАЦИЯ».
, 5
Цель и задачи работы - разработать составы и технологию бесцементного вяжущего из высококальциевых зол Канско-Ачинского топливно-энергетического комплекса (КАТЭК), отработанных формовочных песков литейного производства (так называемая «горелая земля») и отхода абразивного производства (продукт высокоглиноземистый (ПВГ)) с применением механохимического синтеза в планетарных мельницах-активаторах нового поколения.
Разработать состав мелкозернистого бетона на основе этого вяжущего. Определить строительно-технические и эксплуатационные свойства этого бетона.
Для достижения этой цели необходимо было решить следующие задачи:
изучить и обобщить имеющийся опыт по созданию малоцементных и бесцементных вяжущих и бетонов, осуществить поиск и отбор альтернативных источников техногенного сырья для создания бесцементного вяжущего и заполнителей для мелкозернистого бетона;
исследовать состав и структуру используемого техногенного сырья;
исследовать особенности механохимической активации техногенного сырья при получении композиционных вяжущих веществ;
определить оптимальный состав композиционного бесцементного вяжущего вещества из механохимически активированных отходов производства;
определить состав и свойства мелкозернистого бетона на основе этого вяжущего вещества.
Научная новизна
1. Показана высокая эффективность механохимической активации материалов при получении вяжущих веществ из оксидов и техногенного сырья. В результате такой активации смеси оксидов кальция, алюминия и кремния, взятых в молярном отношении 1:0,5:0,5, при добавлении 20 % воды образуются гидроксид и гидроалюминат кальция. При активировании сухой смеси новые фазы рентгенографически не регистрируются.
2. Установлено, что смеси измельченных техногенных продуктов:
высококальциевой золы ТЭЦ (Sy/1 = 400 м2/кг) 60 - 90 мас.% и горелой земли
литейного производства (Syi =350 м/кг) 40-10 мас.% обладают вяжущими
свойствами. При этом повышенная водостойкость композиционного вяжущего
проявляется при содержании в смеси 80 - 90 % золы.
3. Установлено, что механохимическая активация смеси, включающей
(мас.%) высококальциевую золу 80 и горелую землю 20 с добавлением 5 %
высоко глиноземистого отхода абразивного производства, в течение 6-10 мин
позволяет получать композиционное бесцементное водостойкое вяжущее,
имеющее прочность при сжатии в возрасте 28 суток равную 50 - 57 МПа. Это
обеспечивается за счет связывания свободного оксида кальция из
высококальциевой золы и увеличения удельной поверхности материала до 600 -
-у
750 м7кг. Дальнейшая переработка смеси (время активации более 10 мин, удельная поверхность 1000 м7кг) приводит к существенному возрастанию водопотребности смеси, сроков ее схватывания, снижению прочности продуктов твердения.
4. Показано, что использование композиционного бесцементного
вяжущего из механохимически активированных отходов производства
позволяет получать при введении 50% шлакового песка мелкозернистый бетон с
прочностью при сжатии 45 - 55 МПа и плотностью 2086 кг/м3. При
последующем твердении в течение 5 лет прочность бетона возрастает на 53 - 58
%, а модуль упругости на 54%. По усадке, ползучести, сжимаемости,
растяжимости, морозостойкости этот бетон удовлетворяет требованиям
нормативных документов, а по ряду свойств превосходит аналогичные составы
на портландцементе.
Практическая значимость работы
1. Предложен состав композиционного бесцементного вяжущего, содержащего, мае. %: высококальциевую золу-унос ТЭЦ 60-80; отработанную формовочную смесь литейного производства 10-30; высокоглиноземистый отход Производства абразивных изделий 5-Ю. На состав получен патент
Российской Федерации 2196749.
2. Предложен состав мелкозернистого бетона, включающий разработанное вяжущее и 50 % мае. шлакового песка. По ряду свойств этот бетон превосходит аналогичные материалы на портландцементе.
3 Разработана технология получения предложенного бесцементного вяжущего из механохимически активированных отходов производства и мелкозернистого бетона на его основе. Для изготовления такого вяжущего рекомендовано использовать мельницы- активаторы непрерывного действия проточного типа.
4. Определены физические и строительно-технические свойства предложенного мелкозернистого бетона и их изменение в течение пяти лет после изготовления. Установлено, что по уровню этих свойств бетон удовлетворяет требованиям нормативных документов.
Реализация результатов исследований
Разработан оптимальный режим обработки смеси в планетарных мельницах-активаторах для получения бесклинкерного вяжущего с заданными показателями, состав и технологические параметры нового вяжущего и бетона из BMP и технологическая схема их производства. Разработаны рекомендации по созданию бесцементных вяжущих и бетонов на его основе из BMP. Издана монография по теме диссертации, результаты исследований используются в учебном процессе СибГИУ по дисциплинам «Технология строительных материалов» и «Перспективные технологии переработки BMP»
Апробация работ
Основные результаты работы доложены на ежегодных научно-технических конференциях СибГИУ (Новокузнецк 1999-2005 гг.), на Всероссийской конференции молодых ученых «Материаловедение, технологии и экология на рубеже веков» (Томск, 2000 г.), на III Международной практической конференции молодых ученых, аспирантов и докторантов, посвященной памяти В.Г. Шухова «Современные проблемы строительного материаловедения» (Белгород, 2001 г.), на научно-практической конференции
посвященной 80-летию МГСУ-МИСИ «Строительство в XXI веке. Проблемы и перспективы» (Москва, 2001 г.), на Международной научно-технической конференции «Композиционные строительные материалы. Теория и практика» (Пенза, 2002 г.), на 11 международном конгрессе «Химия цемента» (Южная Африка, Дурбан, 2003 г.).
Публикации
Основное содержание диссертационной работы опубликовано в 15 работах, 3 из них за рубежом и в 4 реферируемых журналах России. Получен патент на созданное новое бесцементное вяжущее, издана монография.
На защиту выносится:
результаты исследования процессов взаимодействия компонентов в системе: -высококальциевая зола ТЭС -отработанный формовочный песок литейного производства -продукт высоко глиноземистый;
составы, свойства и область применения бесцементного вяжущего и мелкозернистого бетона на его основе исключительно из техногенного сырья;
алгоритм для подбора оптимального времени активации смеси из высококальциевой золы, отработанного формовочного песка, ПВГ;
технологическая схема производства бесцементного вяжущего и мелкозернистого бетона на его основе;
технико-экономическая оценка разработанного вяжущего и мелкозернистого бетона.
Работа выполнялась при поддержке ФЦП «ИНТЕГРАЦИЯ» (Госконтракт № МО 187, направление 1,6/99-02 «Создание научной молодежной школы и проведение научных конференций по разработке теоретических основ комплексной переработки вторичных минеральных ресурсов (отходов теплоэнергетики, металлургии и горно-добывающей промышленности) с извлечением всех компонентов в одном технологическом цикле и получения композиционных материалов с заданными свойствами») совместно с двумя институтами ОИГТиМ и ИХТТиМ СО РАН (1999-2001 г.г.); наряд-заказа
Минобразования РФ совместно с МГСУ (СибГИУ №1.1.97П) «Создание мелкозернистого бесцементного бетона на основе высоко кальциевых зол и шлаков тепловых электростанций (1996-1999 г.г.).
Результаты работы удостаивались наградами и дипломами различного уровня, одна из них серебренная медаль и диплом международной выставки промышленной собственности «Архимед-2003» за выставленное «Бесцементное вяжущее».
Использование отходов производства при получении вяжущих веществ
Существует значительное количество разнообразных вяжущих веществ, однако в строительстве применяется лишь часть из них. Их называют строительными вяжущими веществами и делят на две основные группы: 1) неорганические (минеральные) вяжущие вещества; 2) органические вяжущие вещества, из которых больше всего используют продукты перегонки нефти и каменного угля (битумы и дегти). Строительными минеральными вяжущими веществами называют порошковидные материалы, которые после смешения с водой (а в отдельных случаях с растворами некоторых солей) образуют массу, постепенно затвердевающую и переходящую в камневидное состояние [1]. Почти все минеральные вяжущие вещества получают путем грубого и тонкого измельчения исходных материалов и полупродуктов, а также термической обработки сырья при разных температурах. В этих условиях протекают разнообразные физико-химические процессы, обеспечивающие получение продукта с требуемыми свойствами. Большинство минеральных вяжущих веществ твердеет в результате возникновения гидратных новообразований при взаимодействии с водой. Лишь в некоторых случаях, например у гашеной воздушной извести, твердение происходит в результате взаимодействия ее с углекислотой воздуха и одновременной перекристаллизации гидрата оксида кальция.
Производство вяжущих веществ представляет собой комплекс химических и физико-механических воздействий на исходные материалы, осуществляемых в требуемой последовательности.
Вяжущие вещества — основа современного строительства. Их широко применяют для изготовления штукатурных и кладочных растворов, а также разнообразных бетонов (тяжелых и легких). Из бетонов же изготовляют всевозможные строительные изделия и конструкции, в том числе и армированные сталью (железобетонные, армосиликатные и др.)- Бетоны на вяжущих веществах применяют также для возведения отдельных частей зданий и целых сооружений (мосты, плотины и т. п.).
Цементное вяжущее и бетоны на его основе в настоящее время являются основными строительными материалами. Вместе с тем, производство портландцемента на основе природного сырья весьма энергоемкий процесс, включающий добычу, обогащение и транспортировку природного сырья, далее дробление и помол, превращение в шлам, сушку и обжиг в гранулы (клинкер), охлаждение и снова помол, транспортировка в силоса.
Значительное снижение себестоимости вяжущих веществ достигается в результате использование в качестве сырья отходов других производств, например металлургических или топливных шлаков и зол, высокой механизации добычи и транспортирования сырья, приближения промышленных предприятий к источникам получения сырьевых материалов.
В России положение с отходами производства и потребления выросло в огромную экономическую и экологическую проблему. По расчетам специалистов Минприроды России (на 2002 г.), в Российской Федерации ежегодно образуется около 7 млрд. т отходов, а утилизируется всего 2 млрд. т, то есть 28%. В то же время есть данные о реальном использовании лишь на 5% зол и шлаков ТЭС [2]; отходов, основную долю которых составляют металлургические шлаки, вскрышные породы горнодобывающих отраслей, хвосты обогатительных фабрик.
По данным Государственного доклада «О состоянии Окружающей природной среды Российской Федерации в 1999 году» образование токсичных отходов (всех классов опасности) в этом году составило около 108 млн. т, из которых использовано и обезврежено 34,4% [3].
На территории страны в отвалах и хранилищах накоплено около 80 млрд. т твердых отходов различного типа. При этом из хозяйственного оборота изымаются сотни тысяч гектаров земли. Так, для складирования только лишь твердых отходов предприятий Москвы ежегодно в области выделяется 20 га земли. За 1 сутки работы на ТЭС мощностью 1 млн. кВт (по современным масштабам это средняя электростанция) сжигается около 10000 т угля и образуется свыше 1000 т золы и шлака, под отвал которых (высотой 8 м) требуется площадь более 1 га в год. Каждый миллион кубических метров добытого минерального сырья покрывает отходами 15— 20 га земной поверхности [4].
Сконцентрированные в отвалах, хранилищах, на полигонах, свалках отходы являются источниками загрязнения почвы, атмосферного воздуха, поверхностных и подземных вод, причиной угнетения растительного и животного мира. Жизнь людей вблизи хранилищ отходов сопряжена с вредностью для здоровья. По расчетам академика Яблокова, один год из трех лет сокращения средней продолжительности жизни одного россиянина связан с неблагоприятной средой обитания. [5, 6]
Предложение об использовании золы, полученной во время сжигания пылевидного угля, в качестве добавки в бетоны было выслушано уже давно. Первая публикация относиться к 1914 году [7]. Вопросы использования зол в строительстве стали в настоящее время предметом обсуждения на всевозможных конференциях и симпозиумах. Этому вопросу посвящены многочисленные труды ученых всего мира и целых творческих коллективов [8 - 18]. За рубежом зола-унос ТЭС используется в основном для производства цемента и бетонов различного вида, в дорожном строительстве, для изготовлении кирпича и легких пористых заполнителей. В США зола применяется также в гидротехническом бетоне. В 1948-53 гг. бетон с золой ТЭС использован при строительстве плотин Хангри Хоре и Каньон Ферри в штате Монтана [19]. Зола-унос была также использована при возведении бетонной гравитационной плотины «Дворжок» высотой 230 м и объемом около 5 млн м в штате Айдахо. На этом объекте золой заменяли 35% (по массе) цемента для внутренних зон плотины и 25% -для наружных. В Великобритании золу-унос добавляли для приготовления бетона при возведении плотин и атомной электростанции. В Японии с 1955 г. золой заменяли 20-30% цемента при сооружении дамб, водоводов, фундаментов зданий, дорог и т.п. [20].
В бывшей ЧССР зола-унос в большом количестве применялась в качестве добавки к бетону при строительстве гидроузла «Орлик», что позволило снизить капитальные затраты и сэкономить 60 тыс.т цемента.
Одна ТЭС средней мощности ежегодно направляет в отвалы до 1 млн т золы и шлака, а ТЭС, сжигающие многозольное топливо, — до 5 млн т. Химический состав золы представлен Si02, А120з Fe203, CaO, MgO и другими оксидами, а также несгоревшим топливом [2].
На современных ТЭС уголь сжигают в пылевидном состоянии при 1200—1500С. Минеральная часть топлива (глинистые минералы, слюды, кварц, полевые шпаты, сульфиды, оксиды и гидроксиды железа, карбонаты кальция и магния и др.) при этом размягчается и частично расплавляется. Большинство зол имеют сферическую форму частиц и гладкую остеклованную поверхность. Размер частиц золы менее 1 мм, а размер самых ценных сферических частиц колеблется от нескольких единиц до 50—60 мкм.
Зола уносится из топки с дымовыми газами и улавливается из них при очистке в циклонах и электрофильтрах. Шлак (частицы 1— 50 мм) образуется в результате слипания размягченных частиц золы в объеме топки и накапливается в шлаковом бункере под топкой. Наилучшими свойствами обладает зола сухого отбора, которая пневматическим способом отбирается из бункеров электрофильтров.
Зола-унос Абаканской ТЭЦ
В основе механохимических процессов, реализующихся в специально разработанной для этих целей нзмельчительной аппаратуре повышенной мощности, лежат те же физические явления, которые возникают при воздействии на твердые тела высоких давлений со сдвигом или ударных нагрузок. Результатом их является образование структурных и химических дефектов и объеме и на поверхности твердых тел, что принципиально отличает эти процессы от процессов диснергирования, в которых основную роль играет образование поверхности.
Таким образом, механическая активация твердых тел в измельчительных аппаратах — это удобный в технологическом отношении прием, позволяющий реализовать импульсный подвод механической энергии к обрабатываемым веществам. Такой подвод энергии обеспечивает реализацию условий, которые положительно отличают этот метод от метода воздействия на твердые тела высоких статических давлений или температур. Процесс дефектообразования, происходящий при этом, усиливается при переходе от хрупкого разрушения к стадии пластического течения твердых частиц материала.
При механической активации включаются специфические механизмы. Так, возникновение локальных разогревов может быть не только результатом трения частиц, но и установлено при исследовании инициирования взрывчатых веществ ударом, результатом неоднородной пластической деформации по объему твердых тел. В этом случае на первый план выступают механические свойства твердых тел. И действительно, в ряде случаев имеется корреляция механохимических эффектов с механическими свойствами. Реализация некоторых полиморфных превращений таким может быть объяснена вызванными механической энергией перемещениями: трансляционными смещениями решетки образованием дефектов упаковки, двойников и т. д.
В силу действия механических факторов происходят из менение расстояний между ионами кристаллической решетки, смещение или переход их в другие положения, что приводит к возбуждению электронной подсистемы, изменению .прочности химических связей от возникновения «напряженных» или деформированных связей до полного их разрыва. Содержащие такие дефекты вещества или их смеси находятся в метастабильном состоянии, из которого они самопроизвольно или под каким-либо воздействием (нагревание, облучение и т. д.) могут перейти в стабильное состояние.
Возникновение под влиянием механической активации различных активных состояний, ускорение процессов массопереноса обеспечивают эффективное протекание гетерогенных механохимических реакций в момент механической обработки. При малых иитенсивиостях подвода механической энергии скорость реакции зависит от числа и площади точечных контактов между частицами, при больших интенсивностях реализуется режим пластического течения для одного или обоих реагирующих компонентов, контакты из точечных превращаются в контакты по всей поверхности трудноизмсльчаемого вещества. Происходит формирование молекулярно-плотных агрегатов, реакция в которых может развиваться как самоподдерживающаяся за счет экзотермического эффекта. Наиболее выгодны реак цнн, в которых механическое напряжение является лишь инициирующим фактором, а далее они развиваются само произвольно, затем по эффективности следуют реакции в смесях твердых веществ, полиморфные превращения, аморфизация и т. д. [72]. В состав цемента входят следующие соединения мас.%: 3CaOSi( 40-60%, 2CaOSi02 15-35, ЗСаОА1203 4-14, 4CaOAl203Fe203 10-18 [73].Указанные соединения, а также исходные компоненты для их синтеза содержатся в золах от сжигания углей, в отходах литейного и абразивного производства, поэтому такие отходы используются для получения из них бесцементных вяжущих материалов [60]. Качество вяжущих материалов из отходов зависит от следующих факторов: 1) подбора состава, чтобы он в большей степени соответствовал составу портландцемента; 2) смешивания компонентов, чтобы между ними было возможно химическое взаимодействие. Термические методы в данном случае малопригодны по причине их высокой энергозатратности, поэтому применяют механическую активацию смесей в измельчительных аппаратах [32, 74-76]. Однако механохимические реакции с участием безводных оксидов недостаточно эффективны. Термодинамически более выгодны реакции с участием гидратированных оксидов, которые образуются при добавлении к смесям безводных оксидов воды. Так, для реакций CaO + Si02 = CaSi03 Са(ОН)2 + Si02 хН20 = CaSi03 + хН20 изменение энергии Гиббса равна соответственно -89,4 и —117,2 кДж. Эксперимент показывает, что связывание кальция во втором случае протекает в несколько раз эффективнее, чем при взаимодействии безводных оксидов. Продуктами механической активации при соотношении компонентов Са(ОН)2: Si02 хН20 = 1:1 являются рентгеноаморфные гидросиликаты, относящиеся к тоберморитовой группе (бСаО 6Si02 5Н20), при их прокаливании получается чистый волластонит (3-CaSi03 [77]. Указанным способом возможно получение и двухкальциевого силиката. В работе [78] проводилась активация оксида кальция и аморфного силикагеля в присутствии воды, количество которой было несколько больше рассчитанного на теоретический состав 2СаО SiC 2 2Н20. После активации в течение 14 ч в вибрационной мельнице получен рентгеноаморфный продукт, в котором, по данным ЯМР Si, содержится предшественник двухкальциевого силиката. После нагревания до 550 С появляется пик, принадлежащий (3-2СаО SICb, а при нагревании до 1000 С продукт уже хорошо окристаллизован. Аналогично при механической активации смесей гидроксидов кальция и алюминия образуются гидроалюминаты кальция ЗСаО АЬОз бЬЬО и 2СаО АЬОз 4Н20, которые при нагревании до температур 700-1000С разлагаются с образованием 12СаО7А120з и 2СаО АЬОз, обладающих вяжущими свойствами [79-81]. В настоящей работе исследовано действие механической активации для получения композиционного вяжущего из промышленных отходов, содержащих оксиды кальция, кремния и алюминия.
Приготовление и испытание образцов нового вяжущего
Тип локального экстремума в критической точке (минимума или максимума) оценивается с помощью исследования поведения первой производной в этой точке, либо с помощью исследования значений второй производной в этой точке, либо, если исходная информация представлена в виде экспериментальных данных о нескольких значениях целевой функции, то с помощью анализа экспериментальных данных в окрестности критической точки
В случае одномерной оптимизации, когда целевая функция неизвестна, а известны ее значения в некоторых экспериментальных точках, вид ее можно оценить с помощью интерполирующей функции, которая является дифференцируемой [138].
Алгоритмы интерполяции функции по точным данным, определенным на дискретном множестве точек, как правило, основаны на использовании интерполяционных многочленов, либо специальных интерполирующих функций. При этом относительно интерполирующей функции вводится априорное предложение о том, что она обладает производными до некоторого порядка.
Другая, близкая к проблеме интерполяции, задача возникает в том случае, когда значения заданной функции известны в узловых точках не точно, а с некоторой погрешностью, максимальная величина которой для каждой точки задается в качестве априорной информации. В этом случае задача состоит в построении такой кривой, которая бы в известном смысле наилучшим образом аппроксимировала функцию, заданную со случайными погрешностями в узловых точках. Такая задача обычно решается на основе метода наименьших квадратов. Кроме интерполяционных многочленов, в теории интерполяции существуют новые методы, получившие название сплайновых интерполяций. Следует отметить, что сплайном обычно оказывается определенная в области М кусочно-полиномиальная функция, т.е. функция, для которой существует разбиение М на подобласти такое, что внутри каждого элемента разбиения функция представляет собой многочлен некоторой степени т. Кроме того, эта функция, как правило, непрерывна в области М вместе с производными (т-1) порядка и имеет интегрируемую с квадратом производную порядка т. Наиболее употребительными в практике явились сплайны - многочлены третей степени [149, 140]. Интерполяционный многочлен. Пусть на отрезке [a, b] заданы п +1 опорных (узловых) точек a t{ t2 ... tn b. Пусть кроме того, заданы /7 + 1 действительных чисел yj(j = \,2...,п) (например, как значения функции fit) в узловых точках). Тогда имеем следующую задачу интерполяции. Найти многочлен In{t) степени не больше «такой, чтоIn\tj) = у- для Интерполяцию применяют главным образом тогда, когда относительно / известны только дискретные значения функции у = fit), и, чтобы вычислить другие ее значения между узловыми точками (интерполяция), или за отрезком узловых точек (экстраполяция), ее приближают многочленом In{t), причем f[tj)=In[tj) (у = 1,2,...,и). Всегда существует только один интерполяционный многочлен, который может быть представлен в различной форме. Форма Лагранжа такого интерполяционного многочлена имеет вид [141]. В работе получено новое бесцементное композиционное вяжущее исключительно из вторичных минеральных ресурсов, (патент № 2196749) [121], состоящее из высококальциевой золы ТЭС (60-80%), отработанного формовочного песка литейного производства ("горелой земли" - 10-30%) и продукта высокоглиноземистого (ПВГ - отход абразивного производства — 5-10%) путем переработки смеси на высокоскоростных планетарных мельницах нового поколения конструкции ИХТТиМ СО РАН [83]. Основные параметры нового вяжущего - это дисперсность смеси, содержание в ней СаОсв0б и прочность при сжатии. Все эти три параметра связаны с продолжительностью обработки смеси на мельницах. В работе произведена оценка и установлена математическая зависимость трех вышеуказанных параметров от продолжительности обработки смеси в новых мелющих аппаратах и подтверждены ранее достигнутые показатели научных исследований. Результаты экспериментов по исследованию влияния продолжительности обработки смеси на дисперсность смеси D, содержание в ней СаОсвоб и прочность композиционного вяжущего R, приведены в таблице 19. Графики зависимостей вышеперечисленных параметров от продолжительности обработки приведены на рис. 29. При обработке смеси дисперсность смеси D, содержание в ней CaOce0Q и прочность композиционного вяжущего R, являются выходными параметрами и зависят от времени обработки t. При этом основными критериями при решении задачи оптимизации является повышение прочности R композиционного вяжущего. Параметры D и СаОсвоб, а также характер их зависимости от времени можно использовать как источник информации для выбора экспериментальных точек, по которым будет настроена математическая модель зависимости параметра R от времени.
Оптимизация продолжительности механохимической обработки смеси
В результате этого движения материал при обработке шарами внутри помольной фляги подвергнут полному действию центробежных сил и силы Кориолиса. Это создает внутри фляги условия, обеспечивающие материалу диспергацию и активацию.
Главные рабочие элементы мельницы эксцентричные коленчатые валы (3) с парами эксцентриков (4) на них. При синхронном вращении коленчатых валов помольные блоки, связанные с противопоставленным эксцентриком, двигаются вокруг кругов, относительно друг друга. В каждый момент они образуют дугу в статическом равновесии; таким образом, мельница не требует регулирования и балансирования, кроме следующего: масса помольных тел (шаров) в каждой фляге, а также масса подаваемого в единицу времени обрабатываемого материала должны быть равны.
Вращение передают к шахте двигателя (5) через передачу V-пояса. Шахта двигателя вращает коленчатые валы синхронно и передает движение к мукомольным блокам. Производительность аппарата зависит от размера фляг, частоты вращения шахты, количество загружаемого материала и т.д. [118].
Для сравнения результатов готовили смесь на новой мельнице-активаторе проточного (полупромышленного) типа (рис. 37).
Главный орган мельницы включает кожух, автоматически возобновляемый движением главный вал в кожухе, и несколько валов, сцепленных во вращении главным валом. Каждый вал имеет множество колец для размола материала. Размер кольца, как органа размола, различен в зависимости от моделей. Внешние диаметры составляет 25-45 мм и толщина несколько мм. Оборудование разработано таким способом, чтобы каждые кольца свободно находились на валах, внутренний диаметр кольца значительно больше внешнего диаметра вала. Кольцо перемещается радиально настолько, насколько позволяет центробежная сила, созданная вращением главного вала, и продолжает поворачиваться, нажимая на внутреннюю стенку кожуха. В этот момент кольцо вращает себя вокруг вала для колец за счет силы трения с поверхностью стенки. Автоматически возобнавляемое Так как кольца двигаются свободно, возникает независимый разрушающий эффект, который передается частицам различных размеров. Структура кожуха легко сменная наряду с кольцами и другими компонентами. В результате, осмотр и обслуживание очень легки.
Кожух оборудован так называемым жакетом, который используется, чтобы управлять нагреванием в течение помола, посылая охлажденную воду в жакет [119]. Для активации материалов на полупромышленной мельнице, была приготовлена смесь из трех исходных компонентов: летучая зола - 80 %; горелая земля -15% и ПВГ-5 % [47, ПО, 121, 142]. Смесь подвергали совместному помолу в планетарной мельнице-активаторе ВЦМ-10Г и мельнице проточного типа конструкции ИХТТиМ СО РАН. На мельнице-активаторе ВЦМ-10Г было переработано 30 кг исходного продукта, помол производился за один проход (до достижения 99 % прохождения через сито № 008). Из теста нормальной густоты активированной смеси были изготовлены образцы балочки по ГОСТу 310.1 «Цемент» с Вольским песком, с осадкой конуса 114 мм. Первоначальное время схватывания составило 60 с. Балочки разделили на три партии. Первая партия была испытана через трое суток, вторая партия была пропарена и испытана через четырнадцать дней, третья партия осталась твердеть при нормальных условиях и была испытана через двадцать восемь суток. После отбраковки максимальных и минимальных значений, а также усреднения данных получили следующие значения: Д =1,ЗМ77а; Д = 2,\МПа; Я=3,ЪМПа; Яъсж=5,5МПа\ Д =9,4МЛя; R = 3 \,6МПа. Прочность образцов в возрасте двадцать восемь суток составляет 32 МПа, это соответствует марке цемента 300-350. Для получения лучших результатов и достижения соответствующей тонкости помола 10 кг смеси пропускали через мельницу-активатор проточного трижды. После активации смеси были изготовлены по технологии аналогичной с предыдущими образцами, балочки из смеси с расплывом конуса 113 мм, тонкость помола соответствовала прохождению 99% порошка через стандартное сито № 008. Первоначальное время схватывания составило 70 с. После проведения необходимых измерений получили следующие данные: ЯІаг=1,5МПа; Я г = 3,\МПа; Я.г=5,2МПа\ R3CJIC=5,\MITa , Rlcl =10,9 МПа; RcL =37,2МПа. Образцы достигли прочности при сжатии в возрасте двадцать восемь суток 37 МПа, что соответствует приблизительно марке цемента 350-400. Данная прочность не является конечной, образцы из бесцементного вяжущего будут набирать прочность и далее.
