CC BY
9
ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛОВЛАГОПЕРЕНОСА В ПРИРОДНЫХ _КЛИНОПТИЛОЛИТАХ_
Ланкин Сергей Викторович
доктор физ.-мат. наук, профессор каф. ФиМО ФГБОУВО «БГПУ», 675000, г. Благовещенск, РФ, ул. Ленина, 104.
Аннотация
Обладая особым типом структуры, клиноптилолит имеет уникальные свойства, которые позволяют использовать его в процессах адсорбции, катализа, ионного обмена и как минеральные добавки в производстве бетонов. Микропористый клиноптилолит (размер зерна менее 100 мкм; размер пор около 1 нм) позволяет экономить цемент, кварцевый песок, воду и получить прочный, легкий, дешевый строительный материал. В работе приведена система дифференциальных уравнений тепловлагопереноса, решение которых позволило бы управлять диффузионными процессами в цеолитах. Для сравнения приведены расчетные и экспериментальные зависимости адсорбционной емкости от относительного давления. Изотермы (Лэнгмюра) адсорбции и десорбции совпадают, зависят от дегидратации образцов, внешней температуры, влажности, пористости, удельной поверхности. Расчетная ошибка около 25 %.
Ключевые слова:
Клиноптилолит, микропоры, адсорбированная вода, вода в порах, водяной пар, уравнение тепловла-гопереноса, изотерма сорбции.
INVESTIGATION OF THERMAL TRANSFER IN NATURAL CLIO-_NOPTILOLITES_
Lankin Sergey V.
doctor of physical and mathematical sciences. Sciences, Professor
cafe. FIMO FGBOUIN "BSPU" 675000, Blagoveshchensk, the Russian Federation, ul. Lenin, 104.
Annotation
Having a special type of structure, clinoptilolite has unique properties that allow it to be used in the processes of adsorption, catalysis, ion exchange and as mineral additives in the production of concretes. Microporous clinoptilolite (grain size less than 100 microns, pore size about 1 nm) allows to save cement, quartz sand, water and get a durable, lightweight, cheap building material. The paper presents a system of differential equations of heat and moisture transport, the solution of which would allow us to control the diffusion processes in zeolites. For comparison, the calculated and experimental dependences of the adsorption capacity on the relative pressure are given. The isotherms (Langmuir) of adsorption and desorption coincide, depend on the dehydration of the samples, the external temperature, humidity, porosity, specific surface. Estimated error is about 25%.
Keywords:
Clinoptilolite, micropores, adsorbed water, water in pores, water vapor, heat and moisture transfer equation, sorption isotherm.
Природный цеолит (клиноптилолит) представляет собой каркасный водный алюмосиликат, во внутрикаркасном пространстве которого размещены обменные катионы щелочных и щелочноземельных металлов и молекул воды [2-4]. Матрица каркаса имеет открытый тип. Обменные ионы расположены в открытых полостях и каналах, размер окон которых 0,35 - 0,87 нм. Способность цеолитов после дегидратации сорбировать молекулы газов и воды, размеры которых не в превышают диаметр входных окон, служит основой их применения в качестве адсорбентов, катализаторов, ионообменни-ков. Объем внутрикристаллического пространства клиноптилолите составляет 20-36 %. Общее количество воды, выделенной из цеолита (мера пористости) определяет величину адсорбционной емкости вещества. Для сорбции и катализа размеры и расположение каналов (пустот), по которым молекулы
газов и воды диффундируют во внутрь кристаллического каркаса, имеют большое значение. В случае, когда система каналов трехмерная, катион (молекула воды) подходящего размера может проникнуть в любое место кристалла. При двухмерной системе молекула движется в плоскости. В одномерной системе возможно движение в одном направлении. Блокировка каналов превращает систему в одномерную.
Рудная цеолитсодержащая порода представляет собой многокомпонентное твердое образование. Между собой кристаллики образуют микроканалы, пустоты, капилляры и т.д. Размер самих кристалликов менее 100 мкм. По этой причине феноменологическое и физическое описание мас-сопереноса в капиллярно-пористых твердых телах представляет собой сложную актуальную задачу. Вопросы, связанные с диффузией тепла и влаги в цеолитах все еще носит проблемный характер. В
статье, используя одномерную изотропную модель нестационарного тепловлажностного режима, развитую в работах [5-10], были получены следующие уравнения тепловлагопереноса:
дТ
dm-,
где с0 - суммарная удельная теплоемкость; с1,с2 - удельные теплоемкости пара и воды; X - теплота фазового перехода; 01,02,013,023 - коэффициенты диффузии; т1 т2 - масса пара и воды; х -коэффициент теплопроводности; Т - температура;
c0l--Ä— = xAT+(kVm2+i1VT-AV(D2Vm2)-AV(D23VT),
dt
dt
k =
дх
dm2
+ CiDi + C2D2
ду
V =J^+C1D13 +C2Ü23-
дТ , dm2
a — + e-T2-
dt dt
= V((Di + D2)4m2) + V((Di3 + D23)VT),
(1)
(2)
где « = - e = 1 +
дТ
Pi
dß2 dm2
, m2. p2
- „> Pl'P2
P2
Pi
- удельные плотности пара и воды, ц - пористость.
В расчетной математической модели предполагается, что в цеолитовых образцах вода может пребывать в трех фазах: водяной пар, жидкая вода в порах и адсорбированная вода, жестко связанная с каркасом кристалла. Пар и жидкая вода могут диффундировать в поровом пространстве, причем потоки пропорциональны градиентам давления пара, концентрации молекул воды. Адсорбированная вода считается жестко связанной с частицами каркаса и не движется в пространстве. Количество воды определяется влажностью воздуха. В расчетах учитывались потоки, направления которых были
перпендикулярны основаниям образца в виде тонкого параллелепипеда.
Эксперимент по определению адсорбированной емкости (А, мг/г) в зависимости от относительного давления (Р/Рз) был проведен на адсорбционной установке с остаточным вакуумным давлением 10-3 Тор при комнатной температуре и влажности воздуха 55 % [4]. Изотерма адсорбции (Лэнгмюра) и десорбции паров клиноптилолитов совпадают, гистерезис отсутствует. Основные физико -химические характеристики клиноптилолита приведены в работах [4, 5]. Для сравнения расчетные (Ар) и экспериментальные (Аэ) значения адсорбционной емкости приведены в таблице 1.
Табл. 1 Экспериментальные и расчетные значения адсорбционной емкости от относительного давления для клиноптилолита
P/Ps 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0
Аэ, мг/г 1,2 2,2 2,4 4,0 4,2 5,1 5,5 6,0 6,2 13,1
Ар, мг/г 0,9 1,1 1,7 2,0 2,5 3,1 3,3 3,7 4,0 11,9
В ходе работы установлено: адсорбционное равновесие достигается через 10-15 минут. Величина адсорбционной емкости зависит от дегидратации цеолита, влажности, пористости, температуры, удельной поверхности и дегидратации образцов. Расчетная ошибка не более 25 % за счет неучтенных стационарных потоков тепла и влаги.
Таким образом, полученные уравнения переноса тепла и влаги в первом приближении позволяют теоретически объяснить сорбционные явления в пористых материалах. Для уменьшения расчетной ошибки требуется применение машинной обработки результатов.
Список использованной литературы:
1. Доценко С.П. Феноменологический подход к описанию процессов переноса сыпучих материалов // Науч. журнал КубГАУ, Краснодар. - 2017 - № 129. - С. 1-9.
2. Евдокимова В.А., Ланкин С.В. Структурные изменения клиноптилолита в процессе его дегидратации // Научно-технический вестник Поволжья, Казань. - 2015 - № 2. С. 19-23.
3. Ланкин С.В., Евдокимова В.А., Карацуба Л.П. Электрические методы исследования адсорбции ПАУ природным цеолитом. - LAPLAMBERT Academic Publishing, Berlin. - 2013. - 94 с.
4. Ланкин С.В. Адсорбции паров воды кли-ноптилолитом: Материалы V международной научно-практической конференции «Достижение и проблемы современной науки» // Научный журнал «Globus», С.Пб. - 2016 - 3 часть. - С. 90-92.
5. Ланкин С.В. Количественное описание переноса влаги и тепла в пористом материале типа клиноптилолита // Вестник АмГУ, Благовещенск. -2017 - Вып. 79 - С. 176-179.
6. Лыков А.В. Явления переноса в капиллярно-пористых телах. - М.: ГИТЛ. - 1954. - 403 с.
7. Пригожи И., Кондпудм Д. Современная термодинамика. От тепловых двигателей до дисси-пативных структур. - М.: Мир. - 2002. - С. 326-367.
8. Решетин О.Л., Орлов С.Ю. Теория переноса тепла и влаги в капиллярно-пористом теле // Журнал технической физики. - 1998. - Т. 68. - № 2. - С. 140-142.
9. Fanda X., Athienitis A.K., Fazio P.P. Methodologies for shortening test period of coupled heat-moisture transfer in building envelopes // Applid Thermal Engineering. - 2009. - Vol. 29. - pp. 787-792.
10. Фокин К. Строительная теплотехника ограждающих частей зданий. - М.: Стройиздат. -1973. - 397 с.
УДК 624.152_
ИССЛЕДОВАНИЕ УСТОЙЧИВОСТИ СООРУЖЕНИЙ И СТЕН _ГЛУБОКОГО КОТЛОВАНА_
Мустакимов В. Р.
кандидат технических наук, доцент Казанский государственный архитектурно-строительный университет
Аннотация
Приводятся результаты комплексных расчетно-теоретических и опытно-практических исследований устойчивости и прочности зданий, сооружений и ограждения стен глубокого котлована, расположенных в зоне взаимовлияния на примере одного из объектов Казани.
Ключевые слова: урбанизация, многоуровневая автопарковка, устойчивость, стела, зона влияния, «стена в грунте», буронабивные сваи, струйная геотехнология, цементогрунт, ростверк, мониторинг, расчетная модель.
INVESTIGATION OF THE STABILITY OF STRUCTURES AND WALLS OF _DEEP EXCAVATION_
Mustakimov V.R.
- candidate of technical sciences, associate professor Kazan State University of Architecture and Civil Engineering
Annotation
The commissioning of complex computational and theoretical and experimental-practical studies of the stability and strength of information, the justification and protection of the deep wall pit, distributed in the zone of mutual exchange on the first separate of the objects of Kazan.
Keywords: urbanization, multi-level parking, steadiness, stele, impact zone, "wall v grunte", bored piles, slender geotechnology, centugrunt, grillage, monitoring, calculation model ".
Отечественная и мировая практика развития крупных городов и мегаполисов имеет тенденцию активного использования атмосферной среды с развитием строительства объектов по вертикали вверх (повышение этажности) и в низ (многоуровневое подземное строительство «подземная урбанизация»). К такому числу интенсивно развивающихся городов относится город Казань. На фоне более чем 1000-летней истории, процесс повышения комфортности городской среды обитания и широкомасштабное обустройство инфраструктуры, осуществляется не только за счет строительства зданий в новых микрорайонах, на свободной от застройки территориях, но и за счет уплотнения существующей, сформировавшейся застройки исторической и современной части города. Значительная доля зданий и сооружений, запроектированных в черте города, возводится в условиях стесненной городской застройки с интенсивным использованием подземной среды в глубоких котлованах. Для сохранения и обеспечения необходимой прочности, жесткости и устойчивости остовов существующих зданий с различной степенью их физического износа, строителями используются различные способы, методы и современные технологии при выполнении глубоких котлованов [1-4]. Освоена и нашла практическое применение передовая геотехнология «стена в грунте». В рамках ее реализации, вертикальные конструкции крепления стен глубоких котлованов выполняются из системно расположенных в ряд и
примыкающих друг к другу буронабивных железобетонных свай (БНС) или изготовленных по струйной геотехнологии цементогрунтовых столбов с анкерными или распорными системами, воспринимающими горизонтальные нагрузки. Выборочный опыт проведения комплекса проектно-изыскатель-ских работ, расчетно-теоретических исследований и инструментальных мониторинговых наблюдений за устойчивостью зданий и сооружений, расположенных в зоне взаимовлияния, приведен на примере законченного строительства многоуровневой подземной автопарковки с котлованом глубиной 15 м в зоне плотной городской застройки. В непосредственной близости от разрабатываемого глубокого котлована, в зоне влияния, расположено сооружение стелы «Хорият» Национального Культурного Центра (НКЦ).
Целью исследований являлось: на предпроект-ной стадии многоуровневой подземной автопарковки, размещаемой в зоне взаимовлияния, глубокий котлован - стела «Хорият - объекты гражданского назначения, установление фактического технического состояния несущих и ограждающих строительных конструкций, по результатам инженерного инструментального обследования и разработка рекомендаций для принятия основных проектных решений; составление и расчет оптимальной расчетно-конструктивной модели вертикального крепления стен глубокого и широ-
