Содержание к диссертации
Введение
1 Литературный обзор 10
1.1 Технология изготовления бетонных изделий 10
1.1.1 Опалубочные системы 10
1.1.2 TITLE1 Требования к качеству поверхностей бетонных изделий ITLE1
1.2.1 Водоэмульсионные смазки для форм 16
1.2.2 Смазки на углеводородной основе 17
1.2.3 Бессмазочная технология 19
1.3 Теоретические основы контактных взаимодействий между
бетоном и опалубкой 20
1.3.1 Работа адгезии и молекулярное взаимодействие 21
1.3.2 Адгезия в реальных системах 27
1.3.3 Поверхностное натяжение и краевой угол смазочных материалов 28
1.4 Применение растительных масел в качестве сырья для получения смазок 32
1.4.1 Состав масел и жиров 32
1.4.2 Состав рапсового масла 33
1.4.3 Смазочные материалы из растительных масел 34
1.5 Получение сложных эфиров жирных кислот растительных масел 37
1.5.1 Процесс переэтерификации растительных масел 37
алифатическими спиртами
1.5.1.1 Этерификация в присутствии основного катализатора 38
1.5.1.2 Этерификация в присутствии кислого катализатора 39
1.5.2 Основные факторы процесса переэтерефикации 41
1.5.2.1 Содержание в сырье воды и свободных жирных кислот 42
1.5.2.2 Тип спирта 42
1.5.2.3 Мольное соотношение спирт : триглицерид 43
1.5.2.4 Продолжительность реакции 43
1.5.2.5 Температура процесса 44 1.5.3 Технологическое оформление процесса для получения
эфиров растительных масел 45
Выводы 46
2 Объекты и методы исследований 48
2.1 Выбор компонентов смазки 48
2.2 Исследование угла смачивания жидкости на металлической поверхности 51
2.3 Оценка смачивания бетона 54
2.4 Методика определения разделительных свойств по отрыву металлической формы от бетонного изделия 57
2.5 Методика получения эфиров рапсового масла 60
2.6 Стандартизованные методики 62 Выводы 63
3 Разработка разделительных смазок для форм бетонных изделий 64
3.1 Анализ процесса изготовления бетонных изделий 64
3.2 Влияние добавок к базовым маслам на адгезионные свойства смазок к металлической поверхности 66
3.3 Исследования процесса смачивания бетонных изделий минеральными и растительными маслами 73
3.4 Оценка силы отрыва металлической формы и чистоты поверхности бетонных изделий при применении различных смазочных композиций 75
3.5 Подбор компонентного состава смазок 84
3.5.1 Смазки на основе минеральных масел, рапсового масла и его эфиров 84
3.5.2 Смазка на основе минеральных масел, рапсового масла и технических концентратов 86
3.6 Получение эфиров рапсового масла – компонентов разделительных смазок 88
3.7 Использование эфиров рапсового масла на основе побочных продуктов в качестве компонентов для производства разделительных смазок 91
3.8 Использование эфиров рапсового масла на основе побочных продуктов в качестве добавки к дизельному топливу 93
3.8.1 Эфиры на основе КОБС как добавка к дизельному топливу 94
3.8.2 Эфиры на основе сивушного масла как добавка к дизельному топливу 97
3.8.3 Влияние эфиров рапсового масла на смазывающую способность дизельных топлив с улучшенными экологическими показателями 99
3.8.3.1 Исследование влияния эфиров на основе КОБС на смазывающую способность дизельных топлив 99
3.8.3.2 Исследование влияния СЭРМ на смазывающую способность дизельных топлив 101
Выводы 102
4 Оценка эффективности разделительных смазок 104
4.1 Результаты опытно-промышленных испытаний смазок 104
4.2 Экономическая оценка разработки 107
4.2.1 Анализ рынка разделительных смазок 107
4.2.2 Расчет себестоимости смазки 108
4.2.3 Расчет эффективности инвестиционного проекта 110
Выводы 113
Основные выводы 114
Список использованных источников
- Исследование угла смачивания жидкости на металлической поверхности
- Влияние добавок к базовым маслам на адгезионные свойства смазок к металлической поверхности
- Экономическая оценка разработки
Требования к качеству поверхностей бетонных изделий
Проведенный анализ статистических данных позволяет говорить о том, что в последние годы соотношение между производством сборных (около 55% общего объема) и монолитных конструкций начало изменяться в сторону увеличения доли последних. Объясняется это тем, что в некоторых видах строительства уровень сборности приблизился к предельному значению, дальнейшее его повышение становится экономически и технически нецелесообразным. В то же время технический уровень возведения монолитных конструкций настолько возрос, что не уступает строительству из сборных конструкций, а по ряду показателей даже превосходит его. Следует учитывать и то, что дальнейшее увеличение доли сборных конструкций потребует значительно больших, по сравнению с монолитным строительством, удельных капитальных вложений, так как себестоимость 1 м3 таких конструкций в настоящее время в 1,5–2 раза выше монолитных, при этом в последних на 15–20% уменьшается расход арматурной стали. Развитие монолитного строительства требует на 35–40% меньше капитальных вложений, чем развитие предприятий по производству сборных конструкций.
Основными причинами, сдерживающими развитие монолитного строительства, являются следующие: низкая степень индустриализации по сравнению с полносборным строительством, слабая производственная база, невысокий уровень организации строительных работ и технологических процессов возведения монолитных конструкций.
Долгое время понятие индустриализация строительства отождествлялось с понятием «сборность», что привело к развитию строительства из сборных железобетонных конструкций и к значительному отставанию в разработке и применении индустриальных методов возведения зданий из монолитного бетона.
Растущий интерес к использованию монолитного бетона и железобетона требует решения важных задач по повышению эффективности монолитного строительства. За последние годы выполнен ряд исследований, в результате которых наметились значительные сдвиги в повышении уровня организации и технологии возведения монолитных зданий и сооружений, в том числе в области совершенствования технологии приготовления бетонной смеси.
В современной технологии сборного железобетона можно выделить три основных способа организации производственного процесса: агрегатно-поточный способ изготовления изделий в перемещаемых формах; конвейерный способ производства; стендовый способ в неперемещаемых (стационарных) формах.
При агрегатно-поточном способе все технологические операции (очистка и смазка форм, армирование, формование, твердение, распалубка) осуществляются на специализированных постах, оборудованных машинами и установками, образующими поточную технологическую линию, формы с изделиями последовательно перемещаются по технологической линии от поста к посту с произвольным интервалом времени, зависящим от длительности операции на данном посту, которая может колебаться от нескольких минут (например, смазка форм) до нескольких часов (твердение изделий в пропарочных камерах). Этот способ выгодно использовать на заводах средней мощности, в особенности при выпуске изделий широкой номенклатуры.
Конвейерный способ применяют на заводах большой мощности при выпуске однотипных изделий ограниченной номенклатуры. При этом способе технологическая линия работает по принципу пульсирующего конвейера, т. е. формы с изделиями перемещаются от поста к посту через строго определённое время, необходимое для выполнения самой длительной операции. Разновидностью этой технологии является способ вибропроката, применяемый для изготовления плоских и ребристых плит; в этом случае все технологические операции выполняются на одной движущейся стальной ленте.
При стендовом способе изделия в процессе их изготовления и до затвердевания бетона остаются на месте (в стационарной форме), в то время как технологическое оборудование для выполнения отдельных операций перемещается от одной формы к другой. Этот способ применяют при изготовлении изделий большого размера (ферм, балок и т. п.). Для формования изделий сложной конфигурации (лестничных маршей, ребристых плит и т. п.) используют матрицы — железобетонные или стальные формы, воспроизводящие отпечаток ребристой поверхности изделия. При кассетном способе, являющемся разновидностью стендового, изделия изготовляют в вертикальных формах — кассетах, представляющих собой ряд отсеков, образованных стальными стенками. На кассетной установке происходят формование изделий и их твердение. Кассетная установка имеет устройства для обогрева изделий паром или электрическим током, что значительно ускоряет твердение бетона. Кассетный способ обычно применяют для массового производства тонкостенных изделий.
Наиболее значимым и трудоемким технологическим процессом в возведении железобетонных конструкций являются опалубочные работы.
Смазывание форм является обязательной технологической операцией при производстве сборных железобетонных изделий и строительстве зданий каркасно-монолитным методом. Смазка форм - технологическая операция при изготовлении железобетонных изделий, снижающая сцепление бетона к опалубке
Исследование угла смачивания жидкости на металлической поверхности
Один из самых важных факторов процесса переэтерификации - мольное соотношение спирт: триглицерид. Согласно уравнению реакции этерификации триглицерида требуемое стехиометрическое соотношение составляет три моля спирта на один моль триглицерида. Но, так как реакция этерификации является обратимой, то для смещения равновесия в сторону образования эфиров берут избыток спирта. Мольное соотношение зависит от типа применяемого катализатора. Одинаковая степень превращения при равной продолжительности процесса достигается при мольном соотношении метанол : триглицерид для кислотного катализа 30 : 1, для щелочного катализа 6 : 1 [96]. Более высокие мольные соотношения приводят к увеличению выхода эфиров за более короткое время.
Степень превращения увеличивается при увеличении длительности процесса. Фридман с сотрудниками [82] проводили этерификацию арахисового, хлопкового, подсолнечного и соевого масла метанолом при мольном соотношении метанол : масло 6:1 в присутствии 0,5% метилата натрия при 60 С. По истечении 1 мин выход эфиров составлял около 80% для соевого и подсолнечного масел. Через 1 час для всех четырех масел степень превращения достигла 93 98%). Ма с сотрудниками [97] изучали влияние продолжительности реакции на переэтерификацию говяжьего жира метанолом. В течение первой минуты реакция протекала очень медленно по причине перемешивания и диспергирования метанола в жире. Между первой и пятой минутой реакция протекала очень быстро. Степень превращения жира в метиловые эфиры изменилась от 1 до 38%). Процесс замедлился и достиг максимума при продолжительности приблизительно 15 мин. Количество моно- и диглицеридов вначале увеличивалось, а затем начало снижаться. В конце процесса содержание моноглицеридов было выше, чем диглицеридов.
Этерификация может протекать при различных температурах в зависимости от типа масла. При метанолизе рапсового масла реакция протекала удовлетворительно при температуре 2035 оС при мольном соотношении 6:1 12:1 и 0,005 0,35% масс, на масло катализатора NaOH (Смит, 1949). Переэтерификация рафинированного соевого масла метанолом (6 : 1) с использованием 1% NaOH проводилась при трех температурах 60, 45 и 32 С. При продолжительности реакции 1,0 ч выход эфиров при 60 и 45 "С был одинаков, а при 32 оС немного ниже. При увеличении температуры четко прослеживается увеличение скорости реакции [82, 95].
Температура играет важную роль в катализируемом кислотой синтезе эфиров растительных масел. Например, был исследован бутанолиз соевого масла, катализируемый 1% мас. H2SO4 при пяти различных температурах от 77 до 117 оС [69]. Увеличение температуры оказывало описываемое воздействие. При 117 С для практически полного преобразования триглицеридов требовалось только 3 часа, в то время как сопоставимые степени превращения при 77 С требовали 20 ч. При более высоких температурах четкость разделения фаз уменьшается и увеличиваются константы скорости из-за более высокой температуры и улучшенной смешиваемости, приводя к существенному сокращению продолжительности реакции. Эффект температуры еще более заметен при более высоких температурах и давлениях. В частности при 240 С и 70 бар с использованием 1,7% мас. H2SO4 степень превращения эфиров больше чем 90% была достигнута за 15 мин [98]. При таких условиях сырье с высоким содержанием свободных жирных кислот (например, 44%) масс, свободных жирных кислот) легко может быть преобразовано при непрерывном удалении воды. Однако в таких жёстких условиях могут протекать побочные реакции типа этерификации спирта. Также произведены исследования кинетики процесса переэтерефикации растительных жиров [99-105]. Большинство кинетических исследований посвящено процессу получения метиловых эфиров растительного масла в присутствии гомогенного щелочного катализатора.
Вид технологической схемы процесса этерификации растительных масел напрямую зависит от типа применяемого катализатора. В литературе предложены следующие основные разновидности технологической схемы промышленного получения эфиров растительных масел: - этерификация растительных масел метанолом в присутствии гомогенного щелочного катализатора; - этерификация растительных масел метанолом в присутствии гомогенного кислого катализатора.
Наиболее распространен в промышленности процесс этерификации растительных масел метанолом на гомогенном щелочном катализаторе. Принципиальная технологическая схема представлена на рисунке 1.8. Производительность установки около 10 тыс. т/год. В качестве сырья данного процесса должно использоваться только рафинированное растительное масло с содержанием воды и свободных жирных кислот менее 0,5% мас.
Метанол смешивается с безводным гидроксидом натрия, затем с регенерированным метанолом и вместе с предварительно нагретым маслом подается в реактор этерификации Р-1, температура в реакторе 60 оС. Продукты реакции поступают в колонну выделения непревращенного спирта К-1, с верха которой непревращенный метанол поступает на смешение с сырьем. Нижний продукт после охлаждения разделяется на эфирную и водно-глицериновую фазы сепараторе Е-1. Эфирная фаза разделяется на эфиры и непревращенное масло в вакуумной колонне К-2.
Влияние добавок к базовым маслам на адгезионные свойства смазок к металлической поверхности
На качество бетонных изделий наряду поверхностными свойствами (сорбирующаяся, смазывающая, защитная) существенное влияние оказывают и объёмные свойства (моющие, антиокислительные и др.).
Рисунок 3.3 – Кинетика впитывания АУ и РМ в бетонную поверхность В частности смачивание смазкой бетонного изделия на стадии выдержки раствора оказывает существенное влияние на толщину смазочного слоя и адгезию бетона к металлической форме, что, в свою очередь, отражается на качестве готовой продукции. С учетом этого были проведены исследования интенсивности пропитки бетона смазками для косвенной оценки смачивания бетонных изделий на примере минеральных и растительных масел. Интенсивность пропитки оценивали по объему впитанной в бетонный брикет смазки за единицу времени. Методика оценки приведена в главе 2. На рисунке 3.3 представлены кинетические кривые впитывания РМ и АУ в бетонную поверхность.
График для определения константы скорости смачивания k Исходя из рисунка 3.4, константы k для рапсового и веретенного масел равны 0,461 и 0,262 соответственно. Следовательно, рапсовое масло лучше, чем веретенное смачивается с поверхностью бетона. Повышенная смачивающая способность растительного масла связана, на наш взгляд, наличием в его составе производных жиров и ненасыщенных углеводородов, обладающих повышенной полярностью. С другой стороны, повышенное смачивание к бетону может быть причиной повышенного расхода, уменьшения защитной толщины смазки, появлению масляных пятен на бетонной поверхности. Сравнительная оценка разделительных свойств рапсового и веретенного масел приведены в таблице 3.5. Из таблицы следует, что удельная сила отрыва РМ близка к нулю, в то же время она имеет высокие значения для АУ. Следовательно, повышенное смачивание бетонных изделий не оказывает негативного воздействия на разделительные свойства смазок.
Оценка силы отрыва металлической формы и чистоты поверхности бетонных изделий при применении различных смазочных композиций
Методы оценки адгезии к бетону не дают полную картину о процессе отрыва формы от бетона. Кроме того, в таких исследованиях не учитывается возможность полного или частичного когезионного отрыва. В определенных случаях усиление адгезионных свойств смазки не просто нецелесообразно, а грозит ухудшением распалубки и слипанием формы и бетона.
Нами разработана методика по оценке влияния смазки на чистоту поверхности металлической формы и силы отрыва. В её основе – модель процесса распалубки, принципиальная схема которой представлена на рисунке 2.5. Количественная оценка производится путем замера удельной силы отрыва металлической формы от бетонного изделия, качественная – путем визуального осмотра поверхности металла и формы и присваивания категории поверхности по ГОСТ 13015.0-83.
Такая методика позволяет оценивать суммарное влияние разделительной смазки для форм на процесс приготовления бетонного изделия на всех этапах его приготовления (налив, застывание, распалубка), а также на качество готовой продукции.
В таблице 3.5 показаны результаты исследований сил отрыва и категорий бетонных поверхностей базовых масел, базовых масел содержащих различные добавки. Сопоставительные испытания проводили на пробах двух промышленных смазок – отечественной («Смаф-2») и зарубежной («Biotrenn 327»). Условия проведения эксперимента: время выдержки – 1 час; температура – 90 оС («экспресс-метод»). Таблица 3.5 – Результаты исследований по оценке влияния смазок на качество поверхности металлической формы и удельную силу отрыва
Из таблицы 3.5 следует, что базовые масла (пробы №№ 4–7) показывают высокую силу отрыва. В тоже время растительные масла и их эфиры (пробы №№ 9,15) наоборот показывают минимальную силу отрыва. Это связано, на наш взгляд присутствием в их составе полярных жиров и их производных [118-120,122]. Как следует из таблицы при введении в состав базовых масел РМ (пробы №№ 11–14) сила отрыва понижается. Это можно объяснить, на наш взгляд тем, что содержащиеся в рапсовом масле триглицириды жирных кислот создают плотный полимолекулярный слой на поверхности металла, который препятствует взаимодействию частиц цементно-бетонной смеси с металлом.
Условия проведения исследований «экспресс-метода» позволяют получить лишь предварительные выводы о свойствах смазок, так как погрешность результатов составляет выше 10%. С целью приближения к реальным условиям приготовления бетонных изделий были несколько изменены условия проведения экспериментов:
Термическое время выдерживания увеличили до 1,25 часа при температуре 80оС. Затем сутки выдерживали при комнатной температуре для укрепления бетонного изделия, чтобы предотвратить излом при отрыве формы. Испытания проводили на пяти формах массой 100 г, площадью поверхности отрыва 0,05 м2 и определяли среднее арифметическое.
Экономическая оценка разработки
Были проведены также исследования влияния добавки на основе продукта реакции переэтерификации РМ спиртами сивушного масла на смазывающие свойства базового топлива.
Исследования смазывающей способности ТК от содержания СЭРМ показали, что при введении его в состав топлива до 0,7% об. его ДПИ снижается, при дальнейшем увеличении содержания – происходит возрастание ДПИ. Полученная зависимость представлена на рисунке 3.10
1 Исследовано влияние технических концентратов одноатомных спиртов, алкилбензолов и -олефинов на адгезионные свойства базового масла разделительных смазок. Показано, что при введении в состав базовых минеральных масел данных продуктов снижается угол смачивания и повышается работа адгезии.
2 Исследовано влияние смачивания бетонной поверхности различными маслами на условия отрыва металлической формы. Показано, что РМ смачивает бетонную поверхность с более высокой скоростью и глубиной, чем АУ. Константа смачивания РМ в 1,6-1,8 раз выше, чем АУ.
3 Проведены исследования сравнительных количественных и качественных характеристик условий отрыва металлической формы для различных смазок. Показано, что при введении РМ и его эфиров в углеводородную основу (экстракты масляных фракций, АУ, И-20А и др.) снижается удельная сила отрыва, а также улучшается качество поверхности бетонного изделия.
4 Предложены составы разделительных смазок на минеральных базовых масел содержащие РМ и его эфиры. Разделительные смазки наряду с высокими эксплуатационными показателями характеризуются улучшенными экологическими свойствами. На разделительные смазки с общим названием «Concretol» разработаны и утверждены технические условия (ТУ 0258-001-26810713-2010).
5 Исследована возможность вовлечения технических концентратов одноатомных спиртов (КОБС и СМ) в качестве сырья процесса переэтерефикации рапсового масла. Показана принципиальная возможность вовлечения эфиров в состав разделительных смазок и качестве добавок к дизельным топливам. Максимально допустимая концентрация добавок КЭРМ и СЭРМ в дизельном топливе составляющая до 10% об.
6 Показано, что КЭРМ и СЭРМ, улучшают смазывающие свойства дизельных топлив. При введении КЭРМ в состав дизельного топлива максимальное снижение ДПИ топливной композиции (на 35%) происходит при содержании добавки 1% об.
В случае применения СЭРМ максимальное снижение ДПИ составляет 42 % при содержании присадки 0,7% об.
Опытно-промышленные испытания смазок производили на предприятиях г. Уфы: в цехе №2 малых форм железобетонного завода ОАО «ЖБЗ-2», в строительном предприятии ООО «СУ-10» при строительстве жилого дома каркасно-монолитным методом.
Опытную пробу разделительной смазки марки Б, приготовленную в лабораторных условиях на основе И-20А (70%), РМ (20%), ЭЭРМ (10%) испытали на железобетонном заводе ОАО «ЖБЗ-2» (г. Уфа), цех №2 малых форм. Физико-химические свойства опытной пробы представлены в таблице 4.2. Как следует из таблиц 3.11 и 4.2 физико-химические свойства опытной пробы марки Б полностью соответствует требованиям ТУ 0258-001-26810713-2010.
По результатам испытаний, размеры раковин, местных наплывов и впадин на бетонной поверхности и околов бетона ребер всех десяти изготовленных конструкций не превышали значений для категории А1, указанных в таблице 1.1. Максимальная глубина окола бетона на ребре составила 1,3 мм, максимальная суммарная длина околов бетона на 1 м ребра составила 9 мм. Жировые и ржавые пятна на лицевой поверхности отсутствовали. Акт испытаний опытной пробы смазки представлен в приложении А.
Опытную пробу разделительной смазки марки А, приготовленную в лабораторных условий на основе АУ (90%), РМ (10%) испытали на строительном предприятии ООО «СУ-10» при строительстве жилого дома каркасно-монолитным методом. Свойства опытной пробы смазки А представлены в таблице 4.3.
По результатам испытаний, размеры раковин, местных наплывов и впадин на бетонной поверхности и околов бетона ребер всех десяти изготовленных конструкций не превышали значений для категории А1, указанных в таблице 1.1. Максимальная глубина окола бетона на ребре составила 1,9 мм, максимальная суммарная длина околов бетона на 1 м ребра составила 18 мм. Жировые и ржавые пятна на лицевой поверхности отсутствовали. Акт испытаний опытной пробы смазки представлен в приложении Б. В ходе испытаний определили удельные расходы смазок составов А, Б, которые составили 29 и 20 мл/м2 соответственно. При аналогичных условиях средний расход импортной смазки «Biotrenn 327» составляет 25 мл/м2, отработанных масел – 100 мл/м2.
