CC BY
13Исследование эффективности использования кавитационной технологии для измельчения минеральных добавок
Гусев Борис Владимирович,
доктор техн. наук, профессор, член-корреспондент РАН, Российский университет транспорта (МИИТ);
Джагарян Игорь Григорьевич,
аспирант, Российский университет транспорта (МИИТ); <^а-gajon@gmail.com;
Оленич Дмитрий Игоревич,
аспирант, Российский университет транспорта (МИИТ), о1еп-ich.dmitry@mail.ru.
Минеральные добавки активно используются в составе бетона. Их применение позволяет уменьшить количество цемента в бетоне более чем на 20%. Благодаря малому размеру зерен они заполняют мельчайшие поры и пустоты в объеме бетона, что позволяет получить более плотную структуру бетона. Несмотря на это в объеме бетона остается некоторое количество пор. Заполнив данные поры нано-заполнителем можно достичь значительного прироста в прочности. Одной из перспективных технологий получения требуемого размера части является кавитационная технология измельчения. В работе рассмотрен способ измельчения минеральной добавки в водной среде с использованием пассивного гидродинамического диспергатора. Целью работы является определения эффективности использования кавитационной технологии измельчения минеральных добавок в водной среде.
Ключевые слова: кавитация, диспергирование, минеральные добавки, бетон, суспензии, эмульсии, активация, прочность бетона, кавитационные пузырьки, нанозаполнитель.
В настоящее время при изготовлении композиционных материалов, на основе портландцемента, применяют минеральные добавки. Их использование обусловлено необходимостью экономии портландцемента путем замены его некоторым количеством добавки (от 5 до 20% и выше). Помимо этого, минеральные добавки являются тонкой составляющей твердой фазы бетона [1], заполняя мельчайшие поры и пустоты бетона, они уплотняют структуру бетона, что способствует увеличению прочности бетона от 5 до 30 %. В ряде работ отмечается использование минеральных добавок в качестве наноза-полнителя, что позволяет увеличить прочность бетона в 1,5 - 2 раза [2], [3], [4], [5].
Для получения необходимого размера частиц существую такие технологии, как электровзрыв, химический синтез, электродуговая переконденсация веществ, плазменная технология и др. Одной из перспективных технологий получения нанодобавок является кавитационная технология измельчения. В настоящем исследовании приводятся результаты эксперимента по получению суспензии на основе минеральной добавки в водной среде.
Кавитация - физическое явление последовательного образования, роста и коллапса миллионов микроскопических пузырьков в жидкости. Схлопывание пузырька создает высокие локализированные температуры порядка 14 000 К и давление около 10 000 атм [6]. Эффекта кавитации можно достичь несколькими способами:
Акустическая кавитация;
Гидродинамическая кавитация.
Акустическая кавитация индуцируется при прохождении через жидкость ультразвуковых волн высокой частоты (16кГц—100 МГц). При прохождении ультразвука через жидкость образуются зоны повышенного и пониженного давления что приводит к разрыву сплошности жидкости и образованию кавитации. Условия возникновения кавитации зависят от интенсивности и частоты ультразвука, физических свойств
х
X
о
го А с.
X
го т
о
ю 4
М О
О)
о
см
О!
О Ш
т
X
3
<
т о х
X
жидкости, а также температуры и растворяемости газов.
Гидродинамическая кавитация может быть создана при прохождении жидкости через канал с сужением, такие как трубки Вентури, сопло Лаваля, диафрагмы и т.д. При прохождении жидкости через сужение, ее кинетическая энергия увеличивается за счет уменьшения сечения. При этом на выходе из сужения образуются ка-витационные пузырьки некоторые из которых схлопываются, что приводит к высвобождению энергии в виде пульсирующего давления.
В данных исследованиях для создания условий образования кавитационных пузырьков используется пассивный гидродинамический дис-пергатор (далее - ПГД), основным рабочим органом которого является сопло Лаваля квадратного сечения (рис. 1). В его конструкцию включены кавитационные тела, представляющие собой металлические стержни круглого сечения, при прохождении через которые сплошность воды разрывается, благодаря чему возникают кавитационные пузырьки.
Рис.1. Сопло Лаваля квадратного сечения
Для обеспечения высокого давления жидкости применяют вертикальный центробежный насос, который позволяет достичь стабильного давления в 6 атм.
Объектом исследования является минеральная добавка, измельчаемая с помощью ПГД. В качестве минеральной добавки использовался дробленый керамзит.
Целью работы является определить эффективность использования кавитационной технологии для измельчения минеральных добавок в ПГД с целью их дальнейшего использования как нанозаполнители для бетона.
В качестве минеральной добавки отбирался дробленый керамзит, фракции 0,315 - 0,16 мм. Перед тем как вводить в ПГД диспергируемый материал его предварительно смешивают с водой. Далее при небольших оборотах насоса вводят небольшими порциями в приемный бак ПГД смешанную с водой суспензию. Во время диспергирования суспензию периодически перемешивают с помощью лопатки во избежание
оседания суспензии на дне бака. Диспергирование материала проводилось в течение 1, 3, 6, 9, 12 и 15 минут. По истечении данных отрезков времени отбирались пробы для определения среднего диаметра частиц и определения времени расслаивания суспензии.
Для получения количественного показателя оседания частиц была разработана и изготовлена соответствующая установка (рис. 2). Она представляет собой стеклянную колбу, изолированную от внешнего света корпусом. На корпусе установлены на противоположных сторонах светодиоды и фоторезисторы. Светодиоды генерируют свет, который в некотором количестве проходит через суспензию, а фоторезистор меняет электрическое сопротивление в зависимости от количества прошедшего света через суспензию.
Рис. 2. Установка для определения времени расслаивания суспензии.
Определение времени оседания частиц осуществляется следующим образом. В колбу заливается 250 мл суспензии и подается питание на светодиоды и фоторезисторы. Свет, прошедший через суспензию, меняет сопротивление фоторезистора. Эти значения считывает микроконтроллер и передает на компьютер. С течением времени суспензия оседает и количество света, проходящего через суспензию, увеличивается, что повышает электрическое сопротивление фоторезистора. При этом чем меньше размеры частиц суспензии, тем дольше они осаждаются на дно колбы. Расслаивание суспензии считается законченным, если в течение 2 минут значения фоторезистора не меняются. Результаты по времени расслаивания суспензии указаны в таблице 1. Также на основании полу-
ченных данных был построен график расслаивания суспензии во времени (рис. 3).
Таблица 1
Время расслаивания суспензий в зависимости от времени
390 - 165 мкм, а их количество составляет 63 %. После 6 минут диспергирования размеры крупной фракции находятся в пределах 320 - 169 мкм, а их количество составляет 56 %.
№ п/п Время диспергирования, мин Время расслаивания суспензии, сек. (мин) Значение сопротивления фоторезистора в момент окончания расслаивания суспензии, Ом
0 500 (8,3) 288
1 730 (12,2) 254
3 920 / (15,4) 228
6 1090 / (18,2) 192
9 1120 / (18,6) 190
12 1240 / (20,7) 175
15 1270 / (21,2) 162
Рис. 3. График расслаивания суспензии во времени
Проанализировав полученные данные, можно сделать вывод, что оптимальным временем диспергирования суспензии является 6 минут. Это обусловлено тем, что между 6 и 9 минутами диспергирования практически не наблюдается разницы в скорости оседания суспензии, и такая же картина наблюдается при времени диспергирования 12 и 15 минут. Из таблицы 1 также заметен спад интенсивности измельчения добавки. Но при этом заметно что значения сопротивления фоторезистора в момент окончания расслаивания уменьшаются. Это может свидетельствовать о более равномерном распределении размера частиц в суспензии.
Для определения среднего диаметра частиц использовался метод аппаратно-программной оценки Thixomet Pro. Для этого суспензия, полученная после диспергирования, высушивалась, наносилась на предметное стекло и оценивалась (рис. 4).
По полученным данным видно, что керамзит без диспергирования имеет размеры крупной фракции в пределах 467 - 167 мкм, которые составляют 85 % от общего количества частиц. При диспергировании в течение 1 минуты размеры крупной фракции находятся в пределах 291 - 154 мкм, а их количество составляет около 71 %. После 3 минут диспергирования размеры крупной фракции находятся в пределах
Рис. 4. Диаграммы распределения частиц керамзита по среднему диаметру, мкм в зависимости от времени диспергирования
Таким образом можно сделать следующие выводы. При 6 минутах диспергирования количество крупных частиц уменьшилось в 2 раза, но размер мелкой фракции все еще не удовлетворяет требуемым. Для получения частиц более мелкой фракции необходимо увеличить давление жидкости путем изменения формы канала с квадратной на круглую, а также уменьшить размеры самого узкого сечения в канале. Такие изменения позволят получить эффект кавитации более интенсивный, что, в свою очередь, увели-
О
о >
го m
о
ю
2
О ^
СО
чит диспергирующую способность пассивного гидродинамического диспергатора.
Литература
1. Баженов Ю.М. Технология бетона: Учебник. - М.: АСВ, 2007 .-528 с.
2. Гусев Б.В. Перспективные технологии при производстве сборного железобетона. Монография. Издание 2-ое. Ижевск. 2015, 206 с.
3. Гамалий Е.А. Комплексные модификаторы на основе эфиров поликарбоксилатов и активных минеральных добавок для тяжелого конструкционного бетона: Автореферат диссертации на соискание ученой степени к.т.н.: 05.23.05. -Челябинск, 2009. - С. 22.
4. Белякова Е.А. и др. Бетоны нового поколения на основе сухих тонкозернисто-порошковых смесей//Инженерно-строительный журнал.-2012.- №8.- С.47-53.
5. Гусев Б.В., Фаликман В. Г. Бетон и железобетон в эпоху устойчивого разви-тия//Промышленное и гражданское строительство. - 2016. -№2.- С. 30-38.
6. Patil, M.N., Pandit, A.B. Cavitation - A novel technique for making stable nano-suspensions // Chemical Engineering Division, Institute of Chemical Technology, UICT, N.P. Marg, Matunga, Mum-bai 400 019, India. 2007, С. 519-530.
The study of the effectiveness of the use of cavitation technology for grinding mineral additives. Gusev B.V., Dzhagarian I.G., Olenich D.I.
Russian University of Transport (MIIT)
Mineral additives are actively used in the composition of concrete. Their use allows to reduce the amount of cement in concrete by more than 20%. Due to the small size of the grains, they fill the smallest pores and voids in the volume of concrete, which allows to obtain a more dense concrete structure. Despite this, a certain number of pores remain in the volume of concrete. By filling these pores with a nano-filler a significant increase in strength can be achieved. One of the promising technologies for obtaining the required part size is the cavitation grinding technology. The paper discusses the method of grinding a mineral additive in an aqueous medium using a passive hydrodynamic dispersant. The aim of the work is to determine the effectiveness of the use of cavitation technology of grinding mineral additives in the aquatic environment. Keywords: cavitation, dispersion, mineral additives, concrete, suspension, emulsion, activation, concrete strength, cavita-tion bubbles, nanofiller.
References
1. Bazhenov Yu.M. Concrete Technology: A Textbook. - M .:
DIA, 2007. - 528 p.
2. Gusev B.V. Promising technologies in the production of precast concrete. Monograph. 2nd edition. Izhevsk. 2015, 206 s.
3. Gamaliy E.A. Complex modifiers based on polycarboxylate
ethers and active mineral additives for heavy structural concrete: dissertation Author's abstract for the degree of Ph.D.: 05.23.05. - Chelyabinsk, 2009. - p. 22.
4. Belyakova E.A. and others. Concretes of a new generation
based on dry fine-grained powder mixtures // Construction Engineering Journal.- 2012.- №8.- P.47-53.
5. Gusev B.V., Falikman V.G. Concrete and reinforced concrete
in the era of sustainable development // Industrial and civil construction. - 2016. No.2.- P. 30-38.
6. Patil, M.N., Pandit, A.B. Cavitation - A novel technique for
making stable nano-suspensions // Chemical Engineering Division, Institute of Chemical Technology, UICT, N.P. Marg, Matunga, Mumbai 400 019, India. 2007, pp. 519-530.
