Главная
Новости
Ремонт
Каркасный дом
Несущие конструкции
Металлические конструкции
Прочность дорог
Дорожные материалы
Стальные конструкции
Воздухоопорные сооружения
Грунтовые основания




18.10.2019


17.10.2019


17.10.2019


17.10.2019


17.10.2019


17.10.2019


17.10.2019


15.10.2019


13.10.2019


13.10.2019





Яндекс.Метрика

Контакты | Карта сайта
         » » Качество заполнителей и бетонов в технологии электроимпульсного дробления при форсированном энергонагружении горных пород

Качество заполнителей и бетонов в технологии электроимпульсного дробления при форсированном энергонагружении горных пород

29.03.2016


С целью улучшения качества строительных материалов, как отмечалось выше, получили развитие высоковольтные электротехнологии подготовки активированных материалов и их обработки. В качестве инструмента активации используются высоковольтные электрические разряды в средах различного агрегатного состояния. Характерным для известных высоковольтных технологий активации является различие в условиях энергонагружения как по величине и времени воздействия энергии, так и по трансформации последней в активируемый объект. Специфическим является различие скоростей течения технологических процессов активации (от микросекунд до десятков минут) и используемых высоковольтных разрядов различной полярности с классом напряжения от десятков до нескольких сотен киловольт. Среди высоковольтных электротехнологий в ТГАСУ разработана электроимпульсная технология получения активированных заполнителей для бетонов различного назначения.
Как отмечалось ранее, основу электроимпульсной технологии получения активированных заполнителей составляет физическое явление превышения электрической прочности твердых тел при коротких временах (10в-6 с и менее) воздействия импульса высокого напряжения, открытое и изученное научной школой профессора А.А. Воробьева. Наличие данного физического явления позволило рассматривать электрическую искру в твердом теле, в том числе в горных породах, как эффективный метод регулируемого воздействия на различные материалы.
В технологии электроимпульсного получения заполнителей определяющими течение процесса разрушения являются энергия в канале разряда внутри кусков исходной горной породы и время ее выделения. Регулировкой данных парам достижимо направленное энергонагружение объекта разрушения и, как следствие, получение продукта разрушения заданного качества. При этом, изменяя условия энергонагружения, возможно менять параметры динамического поля механических напряжений и характер разрушения исходной горной породы. Экспериментальные исследования процесса разрушения модельных образцов (керамическая плитка) при различном энергонагружении свидетельствуют (рис. 2.14) о регулировании в объекте разрушения характера и количества радиальных и кольцевых трещин, растрескивания по Г опкинсу, а также магистральных трещин с выходом их на свободную поверхность.
Качество заполнителей и бетонов в технологии электроимпульсного дробления при форсированном энергонагружении горных пород

Режимы энергонагружения приводят к наличию как радиальных трещин (рис. 2.14, 6), так и к более сложной картине разрушения (рис. 2.14, 8). В последнем случае просматривается наличие зонного расположения кольцевых трещин, между которыми имеют место радиальные трещины. Микроскопический анализ плоскостей разрушения показал, что они содержат дефекты (поры, включения). Последнее прогнозирует различие в прочности продукта электроимпульсного дробления (ЭИД) при различных условиях энергонагружения.
Проведены исследования прочностных характеристик заполнителей на основе оценки дробимости узких фракций по стандартной методике при различных условиях энергонагружения. Для физической интерпретации полученных экспериментальных данных изменение прочностных характеристик заполнителей узких фракций от энергонагружения представлено зависимостями дробимости (Др) от суммарной энергии поля механических напряжений и поля массовых скоростей частиц. Суммарная энергия, при известных энергетических параметрах установки и характера протекания дуговой стадии развития разряда, определялась расчетным путем с учетом литературных данных. Электроимпульсному дроблению подвергался кварцевый порфирит исходной крупностью 70-90 мм. Экспериментальная оценка дробимости заполнителей крупностью 5-10 и 10-20 мм при различном энергонагружении представлена на рис. 2.15.
Качество заполнителей и бетонов в технологии электроимпульсного дробления при форсированном энергонагружении горных пород

Кривые 1, 2 относятся к условиям энергонагружения при постоянстве периода колебания разрядного тока, кривые 3, 4 относятся к условиям энергонагружения с одновременным изменением периода колебания разрядного тока.
Из рис. 2.15 видно, что изменением энергии поля механических напряжений и массовых скоростей частиц, равно как и энергии емкостных накопителей источника высоковольтных импульсов и времени ее выделения, представляется возможным осуществлять регулировку механической прочности узких фракций заполнителей электроимпульсного дробления.
В области больших энергий снижение механической прочности заполнителей обусловлено ростом давления на фронте волны от электрических разрядов. При этом большая часть макродефектов (дефекты Гриффитса) превращается в трещины, которые движутся в теле, не выходя на свободную поверхность. В области же малых энергий уменьшение механической прочности связано с нехваткой ее для нарушения сплошности исходного материала с образованием заполнителей требуемой крупности. Механизм разрушения связан с многократным воздействием волн от электрических разрядов и с аккумуляцией при этом мелких дефектов (трещин) при отсутствии явно выраженного магистрального направления.
Из данных рис. 2.15 обращает на себя внимание превышение прочности заполнителя фракции 5-10 мм над прочностной характеристикой заполнителя фракции 10-20 мм практически во всем диапазоне изменения энергии и времени ее выделения. С уменьшением времени выделения энергии в канале разряда количество зарождающихся трещин на поверхности материала вокруг источника возмущения механических волн давления увеличивается. В то же время в силу роста диссипативных потерь энергии в волне давления уменьшается число трещин, превращающихся в макродефекты внутри тела. Оценку определяющего фактора при рассмотрении влияния времени выделения энергии в канале разряда на прочностные характеристики заполнителей необходимо осуществлять с учетом абсолютных значений ее изменения, физико-механических свойств исходных горных пород, степени и режимных парам дробления.
Результаты исследований прочности узких фракций заполнителей электроимпульсного дробления каменных материалов различных месторождений с широким спектром исходных физико-механических характеристик (от основных до кислых каменных материалов с коэффициентом крепости по шкале М.М. Протодьяконова от 4,4 до 30) приведены в табл. 2.9. Там же указано содержание узких фракций щебня в продукте электроимпульсного дробления.
Качество заполнителей и бетонов в технологии электроимпульсного дробления при форсированном энергонагружении горных пород
Качество заполнителей и бетонов в технологии электроимпульсного дробления при форсированном энергонагружении горных пород

Как видно из данных табл. 2.9, изменением энергонагружения в электроимпульсной технологии дробления достижимо как практическое равенство прочности узких фракций щебня (5-10 и 10-20 мм), так и их существенное различие. Обращает на себя внимание то, что исходя из технологических требований оптимизацией условий энергонагружения возможно получение как превышения прочности мелких фракций щебня над более крупными, так и наоборот.
Содержание отдельных фракций щебня в крупном заполнителе удовлетворяет требованиям ГОСТ 26633-91 при электроимпульсном дроблении всех принятых в исследованиях каменных материалов. Следует отметить, что при постоянстве условий энергонагружения с ростом крупности готового продукта электроимпульсного дробления его механическая прочность уменьшается. Установлен нелинейный характер изменения его механической прочности, который аппроксимируется с достаточной для практических целей экспоненциальной функцией, коэффициенты которой зависят от свойств исходного материала, энергии единичного импульса, времени ее выделения в канале разряда и степени дробления.
Сопутствующими факторами, влияющими на прочностные характеристики заполнителей, являются слабые, игловатые и пластинчатые зерна, а также их форма. Результаты оценки содержания пластинчатых и игловатых форм зерен в узких фракциях электроимпульсного дробления гравия при различных условиях энергонагружения (параметрах и режимах дробления) приведены в табл. 2.10. Там же приведены данные при механическом дроблении (МД).
Изменение условий энергонагружения в процессе электроимпульсного дробления приводит к перераспределению содержания пластинчатых и игловатых форм зерен как внутри узкой фракции, так и по фракциям в целом. При этом при электроимпульсном дроблении достигнуто содержание этих форм зерен, равное 2,44% против 15,98%, имеющих место при механическом дроблении. Столь существенная разница связана с тем, что исходный материал, имея неправильную форму кусков, разрушаясь в традиционных дробилках, с мест образования площадей контактов претерпевает неоднократное откалывание, аккумулируя «лещадку». При электроимпульсном дроблении, как видно из рис. 2.14, характер и движение трещин внутри разрушаемого материала предопределяют минимальный выход пластинчатых и игловатых форм зерен в продукт дробления.
Качество заполнителей и бетонов в технологии электроимпульсного дробления при форсированном энергонагружении горных пород

Полученные экспериментальные данные о регулировании процесса разрушения, физико-механических показателей и размерных характеристик заполнителей электроимпульсного дробления при различных условиях энергонагружения позволяют утверждать, что и показатели бетонов на этих заполнителях будут определяться условиями этих энергонагружений. Проведены эксперименты по единой методике исследовательских испытаний применительно к технологии получения тяжелого бетона. Энергонагружение варьировалось величиной амплитуды воздействующего высоковольтного импульса при оптимальных межэлектродных промежутках. Состав бетонной смеси во всех экспериментах был постоянным. Одновременно для этого же состава оценивалась прочность бетона на продукте механического дробления. Прочность тяжелого бетона исследовалась при различных технологических схемах использования как щебня, так и продукта электроимпульсного дробления в целом.
Результаты исследований прочности тяжелого бетона при различных режимах энергонагружения в технологии электроимпульсного получения заполнителей приведены в табл. 2.11.
Качество заполнителей и бетонов в технологии электроимпульсного дробления при форсированном энергонагружении горных пород

Как видно из данных табл. 2.11, изменение режимов энергонагружения при электроимпульсном дроблении и последующем использовании всего продукта (или только щебня) в технологии тяжелого бетона приводит к различию прочностных показателей. Прочность тяжелого бетона увеличивается при использовании всего продукта ЭИД для подготовки бетонной смеси во всем диапазоне энергонагружения. Предпочтительнее в технологии тяжелого бетона использование как свежедробленого всего продукта, так и свежедробленого щебня. То есть свойства бетона зависят не только от энергонагружения при электроимпульсном получении заполнителей, но и от технологической схемы использования этих заполнителей при подготовке бетонных смесей. Обращает на себя внимание аномально высокая прочность бетонов на заполнителях электроимпульсного дробления по сравнению с прочностью бетона на заполнителях механического дробления (в среднем на две марки).
Повышенная прочность бетона на заполнителях электроимпульсного дробления связывается с влиянием условий энергонагружения не только на качество физико-механических свойств заполнителей, но и на повышение химической активности поверхности продукта электроимпульсного дробления силикатных материалов.
Применение класса активированных материалов, как и любого другого вида нового материала, сопряжено с определением возможных ограничений по его использованию в готовой продукции.
Применение в изделиях и конструкциях различного назначения бетона во многом определяется его работоспособностью при различного рода необратимых деформациях, в первую очередь, при сжатии, изгибе и растяжении. Поведение бетона при указанных деформациях взаимосвязано с видом и аппаратами получения заполнителей.
Проведена оценка прочности мелкозернистого бетона при различных видах деформации и условиях получения заполнителей. Материалом для разрушения принят клинкер и гравий, на которых готовился бетон. Клинкер принят в качестве модельного объекта как материал, имеющий наибольшую степень активности к портландцементу (эталонный заполнитель в мелкозернистом бетоне) и обеспечивающий в этой связи предельно возможную высокопрочную структуру.
Из табл. 2.12 видно, что наименьшими прочностными показателями обладает мелкозернистый бетон на недробленом продукте практически при всех видах деформации. Прочность мелкозернистого бетона на клинкерном материале растет в ряду деформации растяжения, изгиба и сжатия для всех исследованных аппаратов разрушения.
Качество заполнителей и бетонов в технологии электроимпульсного дробления при форсированном энергонагружении горных пород

Для тех же условий оценены прочностные свойства структур твердения на основе продукта электроимпульсного дробления и продукта механического разрушения гравия в аппаратах, указанных в табл. 2.12. Данные оценки приведены в табл. 2.13 в процентном отношении к полученным результатам по соответствующим показателям, достигнутым на клинкерном материале, которые приняты за 100 %.
Из данных табл. 2.13 видно, что структура твердения на материале электроимпульсного дробления обладает наиболее близкими показателями к эталону. Ощутимая разница в пределах прочности свидетельствует об эффективности использования продукта электроимпульсного дробления в высокопрочных структурах твердения и в конструкциях искусственных строительных конгломератов, особенно работающих на изгиб и растяжение, что приводит к расширению номенклатуры изделий.
Качество заполнителей и бетонов в технологии электроимпульсного дробления при форсированном энергонагружении горных пород

В подтверждение вышеотмеченного оценены удобоукладываемость бетонной смеси и кинетика набора прочности бетона при использовании продукта электроимпульсного дробления гравия Томского месторождения. Составы трехфракционных бетонных смесей рассчитывались по наименьшей межзерновой пустотности, которая составила 17,4 % при использовании природного песка Вознесенского месторождения. Крупным заполнителем служил щебень фракции 10-20 мм электроимпульсного дробления. В качестве вяжущего применен цемент М500 Toпкинского цементного завода.
Данные табл. 2.14 и 2.15 свидетельствуют о том, что применение продукта электроимпульсного дробления местного сырья обеспечивает получение со значительным снижением расхода цемента высокопрочного бетона класса В45-В60 без каких-либо химических добавок и класса В60 и более с химической добавкой суперпластификатора С-3 (табл. 2.15).
Качество заполнителей и бетонов в технологии электроимпульсного дробления при форсированном энергонагружении горных пород

Обращает на себя внимание высокая прочность бетона в раннем возрасте при применении продукта электроимпульсного дробления. Использование песка электроимпульсного дробления приводит к большему росту прочности.