Развитие научных знаний в области электрофизики и потребность в более совершенных технологиях привели к созданию целого ряда физико-химических процессов, физической основой которых является силовое воздействие электрических полей высокого напряжения на мелкораздробленные материалы. Это направление, получившее в 60-х гг. название электронно-ионной технологии, начало развиваться во всех отраслях народного хозяйства, в том числе и в производстве строительных материалов.
Электронно-ионная технология используется в производстве строительных материалов для электрообогащения минерального сырья, электроочистки отходящих газов в производстве минеральных вяжущих, электросмешения цемента с заполнителями, электроактивации дисперсных систем, электроимпульсного уплотнения бетона, окисления гудрона, активации компонентов бетонов различного назначения, в том числе дорожных асфальтобетонов, и многих других производственных процессах.
Необходимость в разработке и реализации подобных технологий столь значима, что даже в неполно сложившихся рыночных отношениях в настоящее время правительственными органами России все большая приоритетность в выборе направлений прогресса отдается принципиально новым технологиям в промышленных отраслях.
Среди широкого спектра разновидностей электронноионных технологий разработаны технологии активации строительных материалов, в которых для получения и активации минеральных компонентов бетонов различного назначения используются высоковольтные электротехнологии. Инструментом активации служит как низкотемпературная плазма импульсного электрического разряда внутри кусков горной породы или жидких сред, так и сильные электрические поля с воздействием движущихся заряженных частиц, высоковольтных разрядов в газовых средах, частным случаем последних является коронный разряд.
Технологии высоковольтной активации в газовых средах минеральных материалов разрабатываются в двух направлениях:
- разработка технологий воздействия высоковольтным коронным разрядом на компоненты асфальтобетона как в движущихся, так и в стационарных условиях объекта обработки;
- разработка технологий высоковольтной активации коронным разрядом дисперсных структур на основе битума в процессе их подготовки.
Следует обратить внимание на имеющиеся принципиальные различия роли высоковольтного воздействия в отмеченных выше двух направлениях разрабатываемых технологий высоковольтной активации. Если в первом случае регулирование достижимо направленным изменением соотношений удельной поверхностной энергии минерального материала и поверхностного натяжения битума, то во втором случае в дополнение высоковольтная активация связывается с регулированием свойств битумной пленки на минеральной поверхности и изменением состояния двойного электрического слоя на границе раздела минеральная поверхность - битум, а также с изменением свойств ориентированного слоя и объемного битума.
Улучшение свойств строительных материалов на органической основе, в первую очередь асфальтобетонов различных типов, достижимо как электрофизическим воздействием на органические вещества (на стадии их получения или готового битума), так и высоковольтной активацией их минеральных компонентов. При этом в реализации отмеченных направлений эффективным является применение высоковольтных разрядов различных типов. Регулирование процессов и свойств структур твердения на органической основе в технологии высоковольтной активации электрическими разрядами связывается сегодня с принципиально отличными друг от друга путями.
Наиболее широкое применение получила высоковольтная технология активации минерального материала при различных типах напряжения на рабочем (коронирующем) проводнике.
В аппаратурном оформлении высоковольтная технология активации коронным разрядом может быть реализована (как один из возможных вариантов) по электрической схеме, приведенной на рис. 5.1.
От электрической сети напряжением 380 В через регулировочный трансформатор 1 напряжение подается на первичную обмотку высоковольтного трансформатора 2. Выход вторичной (высоковольтной) обмотки трансформатора 2 подсоединен к рабочему (коронирующему) электроду 3. Под электродом 3 расположена изоляционная пластина 4, на которой находится объект высоковольтной активации, в нашем случае это минеральный порошок 5.
При достижении определенного высокого напряжения на рабочем электроде 3 возникает один из весьма распространенных типов разрядов в газовых средах - высоковольтный коронный разряд, который сопровождается свечением, характерным потрескиванием и появлением запаха озона.
Высоковольтный коронный разряд можно создать в системе электродов различных типов, которые приведены на рис. 3.1.
При напряжении на проводе больше Uo вокруг электрода с малым радиусом кривизны возникает ионизация воздуха, которая распространяется в весьма малой зоне этого электрода. Область вокруг коронирующего электрода называют чехлом короны, а весь остальной промежуток - внешней зоной короны. Чехол короны характеризуется ярким голубым свечением, форма которого определяется полярностью (знаком) электрода и типом системы электродов. В чехле короны происходят процессы ионизации воздуха. Uo - напряжение зажигания короны.
При положительной полярности электрода образующиеся электроны уходят на анод, а положительные ионы создают объемный заряд, перемещающийся под действием поля к противоположному электроду (земле).
При отрицательной полярности электрода положительные ионы нейтрализуются на нем, а электроны, перемещаясь к аноду (земле), захватываются атомами кислорода и создают отрицательный объемный заряд. Движение ионов обоих знаков к противоположным электродам создает ток в промежутке между коронирующим электродом и землей.
При увеличении напряжения на коронирующем электроде объем коронного чехла увеличивается. Однако эта зона не может увеличиваться беспредельно, т. к. при определенной плотности объемного заряда в чехле под действием собственного магнитного поля разряда происходит «отшнурование» чехла, т. е. появляются ответвления, направленные в сторону другого электрода. При пересечении этими ответвлениями всего межэлектродного промежутка происходит электрический пробой (замыкание дугой) межэлектродного промежутка, а напряжение на электроде, при котором осуществляется пробой, называют пробивным (Uпр). Следовательно, изменение напряжения источника в технологии высоковольтной активации коронным разрядом может происходить в диапазоне значений от U0 до Uпр.
Плотность объемных зарядов как в чехле, так и во внешней зоне зависит от приложенного напряжения к электроду. В практических целях, в большинстве своем, использование отрицательной короны предпочтительнее, т. к. имеют место более существенное повышение рабочего градиента и более высокая подвижность отрицательных ионов.
Последствия от высоковольтной обработки электрическими разрядами в газовых средах приводят к ряду эффектов, стимулирующих течение межфазных взаимодействий.
Совокупность физико-химических превращений приводит к благоприятным изменениям некоторых поверхностных свойств, в том числе к возможности регулирования кислотно-основных свойств обрабатываемой высоковольтным коронным разрядом поверхности. Эти изменения сводятся в целом к увеличению адгезионной способности поверхностей в широком смысле этого понятия (повышается смачиваемость, улучшается способность поверхностей к прилипанию, увеличивается стойкость к деформации растяжением и т. п.).
В процессе смачивания и взаимодействия активированных поверхностей с битумом при обработке минеральных и органических материалов, например щебня, минерального порошка (МП), битумом имеют место, как отмечалось ранее, следующие характерные случаи:
1. Минеральный материал не смачивается или плохо смачивается битумом, а потому на его поверхности не образуется равномерной пленки битума, и последний сворачивается в отдельные шарики или сгустки.
2. На поверхности образуется равномерная битумная пленка, однако она не прилипает к поверхности и при водонасыщении легко отслаивается и сдирается.
3. На минеральной поверхности образуется равномерная битумная пленка, которая хорошо прилипает к поверхности. При водонасыщении такая пленка не отслаивается и не сдирается.
Избыток свободной поверхностной энергии имеется на границе двух любых соприкасающихся фаз. Этот избыток свободной энергии обуславливается различием в напряженности молекулярных сил, действующих в обеих фазах, т. е. различием их. Мерой полярности может служить любое молекулярное свойство фазы, например ее диэлектрическая постоянная, поверхностное натяжение на границе с какой-либо постоянной средой и т. п. Наиболее полярна жидкость с большой диэлектрической постоянной, соответственно, и с большим поверхностным натяжением, молекулы которой обладают дипольным моментом.
В явлениях смачивания полярность играет большую роль: чем меньше разность полярностей на границе раздела твердое тело - жидкость, т. е. чем меньше избыток свободной энергии, тем лучше смачивание.
Силы взаимодействия на границе раздела твердое тело -жидкость, от которых зависят смачивание и прилипание, связаны с силами молекулярными, или вандерваальсовыми, и химическими, или валентными.
Силы Ван-дер-Ваальса представляют собой силы взаимного притяжения между молекулами одного и того же вещества или же между молекулами адсорбируемого вещества и адсорбента (для нашего случая - между материалом и битумом).
В подавляющем большинстве случаев взаимодействие между твердым телом и жидкостью происходит в основном под действием молекулярных сил.
Природа как химических, так и молекулярных сил носит электрический характер. Наиболее простой случай взаимодействия электрических сил представляет собой электростатическое взаимодействие между различно заряженными ионами.
Считается, что лучшее прилипание битума происходит с положительно заряженными минеральными материалами потому, что сам битум обладает отрицательным зарядом, что не бесспорно.
На поверхности минеральных частиц находится слой зарядов, обусловленных наличием свободных, ненасыщенных валентностей у поверхностного слоя ионов, участвующих в построении кристаллической решетки минералов, входящих в состав горных пород.
Следует отметить, что для большинства гидрофильных материалов, применяемых в дорожном строительстве, этот слой ионов обладает несущим отрицательным зарядом.
При современном представлении о структуре асфальтобетона с позиций физико-химической механики как о микро-, мезо- и макроструктурах практически значимы вопросы об улучшении физико-механических свойств каждой из структур.
Улучшение физико-механических свойств данных структур достаточно эффективно достигается высоковольтной обработкой их компонентов электрическими разрядами. При этом изменение физико-механических свойств зависит от условий энергонагружения и типа высоковольтной обработки.
В течение последних 10-15 лет в ТГАСУ разрабатывается высоковольтная технология активации минерального порошка для производства асфальтобетонных смесей повышенного качества. В основе технологии лежит использование излучений и электромагнитных полей высоковольтного коронного разряда. Высоковольтный коронный разряд в газовых средах относится к типу электрических разрядов, возникающих в неоднородном поле при достаточно высокой разнице потенциалов между двумя электродами, один из которых имеет малый радиус кривизны. На рис. 5.2 приведена технологическая схема производства асфальтобетонной смеси с применением минерального порошка с активированной поверхностью.
В процессе производства асфальтобетонной смеси минеральный порошок подвергался в автономном аппарате высоковольтной активации коронным разрядом. Качество асфальтобетонной смеси, при прочих равных условиях, зависит от парам и условий высоковольтной активации.