CC BY
23
Строительство и архитектура
4 4
3 - ОС(м) = 02527^0^ 3 ■
т d о 2 - У У* ОС(м) = 0,1933 А „Г г/ е 2 ■ d о ОС(с) = 0,1416 A
1 1 0 1 A
0 1 1 1 1 I 1 ■ 1 ■ 0 ■—i—i—i—i—i—i—i—•—i—•—i—•—i—•—i
0 2 4 6 8 10 12 14 , 16 Удельная поверхность контакта фаз А, м2/м2
а)
0 2 4 6 8 10 12 14 16 Удельная поверхность контакта фаз А, м2/м2
б)
Рис. 6. Зависимость окислительной способности аэратора от удельной поверхности контакта фаз при боковом расположении аэратора в модели аэротенка: а - мелкопузырчатый; б - среднепузырчатый; ♦- глубина модели аэротенка 0,8 м; '- глубина модели аэротенка 0,4 м
Зависимость имеет линейный характер и описывается уравнением ОС(м) = к ■ А, где к - тангенс
угла наклона прямой к оси абсцисс, определяемый глубиной модели аэротенка. При глубине модели аэротенка 0,8 м угловой коэффициент к = 0,2527, а при глубине 0,4 м зависимость окислительной способности от удельной ПКФ слабо выраженная и к = 0,1933.
Для мелкопузырчатого аэратора, расположенного в центре модели аэротенка, получены уравнения зависимостей, мало отличающиеся от уравнений для бокового расположения аэратора.
Использование среднепузырчатого аэратора приводит к ~ 50%-ному уменьшению окислительной спо-
собности при идентичных величинах поверхности контакта фаз (рис. 6,б). Так, например, при глубине модели аэротенка 0,8 м и величине удельной поверхности контакта фаз А = 7 м2/м2 для мелкопузырчатого аэратора ОС(м) = 1,8 кгО2/ч, а для среднепузырчатого аэратора ОС(с) = 1,0 кгО2/ч. Эта зависимость наглядно показывает, что удельная ПКФ и соответственно доставка кислорода к хлопкам ила не полностью определяют окислительную способность аэротенка. Весьма существенное значение в решении этого вопроса имеет гидродинамическая обстановка в аэротенке, формирующая равномерные поля активного ила в сечении аэротенка.
Библиографический список
1. Кульков В.Н., Солопанов Е.Ю. О межфазной поверхности «жидкость-газ» в аэрируемых сооружениях // Вода: проблемы и решения: сб. докладов Всерос. науч.-практ. конф. (24 апр. 2007, Тюмень). Тюмень, 2007. Вып. 4. С. 51-57.
2. Данквертс П.В. Газожидкостные реакции. М.: Химия, 1973. 296 с.
3. Мешенгиссер Ю.М. Теоретическое обоснование и разработка новых полимерных аэраторов для биологической
очистки сточных вод: дис. ...д-ра техн. наук / ФГУП «НИИ ВОДГЕО». М., 2005. 257 с.
4. Куликов Н.И. Биологическая очистка сточных вод сообществами свободно-плавающих и прикрепленных микроорганизмов и гидробионтов: автореф. дис. .д-ра техн. наук / МакИСИ. Макеевка, 1990. 34 с.
5. Очистка производственных сточных вод в аэротенках / Я.А.Карелин [и др.]. М.: Стройиздат, 1973. 223 с.
УДК 552.3.08:544
КОМПЛЕКСНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ НЕОРГАНИЧЕСКИХ СТРУКТУР НА МИНЕРАГЕНИИ МАГМАТИТОВ КАЛИЕВОЙ ЩЕЛОЧНОЙ СЕРИИ
Е.А.Николаенко1
Национальный исследовательский Иркутский государственный технический университет, 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
Выполнены термокинетические исследования в области гетерогенного взаимодействия дисперсных систем, положенных в основу технологии разнообразных неорганических материалов на калиевой щелочной композиции. Ил. 2. Библиогр. 6 назв.
Ключевые слова: неорганические материалы; дисперсные системы; гетерогенное взаимодействие; щелочная среда.
'Николаенко Елена Аркадьевна, кандидат технических наук, доцент кафедры строительных конструкций, тел.: 89041177325. Nikolaenko Elena Arkadievna, Candidate of technical sciences, associate professor of the chair of Building Structures, tel.: 8904 1177325.
COMPREHENSIVE STUDIES OF INORGANIC STRUCTURES ON THE MINERAGENY OF MAGMATITES OF POTASSIUM ALKALI SERIES E.A. Nikolaenko
National Research Irkutsk State Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074.
The author performed thermokinetic studies in the field of heterogeneous interaction of disperse systems. They form the basis of the technology of various inorganic materials on potassium alkaline composition. 2 figures. 6 sources.
Key words: inorganic materials; disperse systems; heterogeneous interaction; alkali medium.
Взаимодействия в дисперсных системах положены в основу технологии разнообразных неорганических материалов. Различия в природе дисперсных компонентов, многостадийность процессов достижения заданных свойств, гетерофазный характер состава и структуры продуктов реакций обусловливают сложность этого вида материалов как объекта познания. Концептуально оправданным представляется единый подход к изучению свойств цементсодержа-щих композиций в рамках системы состав - структура - процесс - свойство [1]. В качестве основных методов исследования используются термокинетика и термодинамика в связи с естественной фундаментальностью энергетических явлений, сопровождающих процессы получения и службы строительных материалов в изделиях и сооружениях.
Специфика гетерогенного взаимодействия в дисперсных системах предъявляет ряд требований к методике калориметрического эксперимента. Главные из них - изоляция реагентов до начала взаимодействия и обеспечение высокой степени однородности (гомогенности) смеси независимо от отношения жидкое: твердое.
Для реализации термокинетических исследований решается комплекс взаимосвязанных задач, состоящих из четырех уровней. Первичная обработка (рис. 1,а) включает динамическую коррекцию результатов измерений, формирование термокинетических зависимостей dQ/dт =1 (т) и Р =1 (т). Второй уровень выделяет на концептуальной основе характерные стадии и периоды реакций (индукционный, ускоренный и замедленный) по сингулярным точкам (рис. 1,б). Эти показатели характеризуют отношение двух имеющих размерности скорости величин, связанных с процессом твердения. Одна из них - мгновенная скорость тепловыделения V = Р(т), другая получена усреднением - № = 1/к | 2 (т)с1т. При 1 реакции относятся
к быстропротекающим, а при 1 - к медленнопро-текающим. На термокинетических кривых выделяются три сингулярные точки перемены от быстрого процесса к медленному и наоборот. На третьем уровне проводится долгосрочный прогноз (рис. 1,в), когда время прогноза превышает время наблюдения. Зависимости Р =1(т), как правило, представлены монотонно возрастающими асимметричными сигмовидными кривыми, стремящимися к термодинамически обусловленному пределу. Процедура прогноза взаимосвязана с оценкой погрешности результатов. Важным условием представляется существование на кривой Р =1(т) точки, правее которой реагирующая система не претер-
певает изменений. В основу кинетического анализа процессов (рис. 1,г) положена вероятностная модель Колмогорова, охватывающая системы с химическим взаимодействием. Развитие подхода связано с построением самосогласованных моделей путем решения обратной кинетической задачи, при этом учитываются изменения перехода новообразований из ме-тастабильного в стабильное состояние.
Систему цемент-вода можно рассматривать как закрытую термодинамическую систему с ярковыра-женными и взаимодействующими поверхностями разделов трех фаз: твердой (цементный камень), жидкой (вода) и газообразной (парогазовая смесь). Величина взаимодействия зависит от размеров пор и степени гидрофильности их поверхности. Экспериментальной основой является метод дифференциальной сканирующей калориметрии (ДСК) (рис. 2). Исследуемый образец помещается в калориметр и подвергается замораживанию. В процессе охлаждения регистрируются температуры кристаллизации воды. Согласно [2], в капиллярно-пористом теле можно выделить четыре модификации адсорбированной и капиллярно-конденсированной воды, отличающиеся степенью взаимодействия с поверхностью стенок пор. Такое взаимодействие приводит к искажению структуры воды и, следовательно, изменению ее свойств [3], прежде всего, температуры кристаллизации. Зависимость температуры кристаллизации воды (Т) в порах от их радиуса (Я„) устанавливается с учетом термодинамического равновесия воды и льда, равенства их химических потенциалов, а также при анализе энергетических, адсорбционных и энтропийных параметров [4]: т
1 f
= ^ r\^sdr / уЖ1
(1)
где у - свободная поверхностная энергия на границе
раздела жидкость - твердое; ^ - изменение энтропии при кристаллизации; Vж - объем жидкой фазы. Интегрирование по температуре и подстановка значений величин у, №, Vж позволяют перейти к соотношению между и Т:
Ъ = (А/То-Т) + В, (2)
где А и В - постоянные коэффициенты.
Кривая распределения пор по размерам представляет собой зависимость dV/dRn =1(Ъп). Во временном интервале dт энергия фазового перехода пропорциональна площади yd(T1 - Т2) (рис. 2,а). Объем пор V, в которых происходит кристаллизация, прямо пропорционален этой энергии и обратно пропорционален
кажущейся энергии кристаллизации W:
dV=Cyd(To - Т)МУ (3)
где у - отклонение от базовой линии; С - постоянный коэффициент.
Следовательно, уравнение кривой распределения будет иметь вид
А V/А = к (То - Т)М, (4)
где к - фактор, связанный с методикой проведения исследований и чувствительностью калориметра.
Рис. 1. Комплекс задач термокинетического анализа: а - первичная обработка результатов; б - выделение характерных стадий и периодов реакций; в - долгосрочный прогноз тепловыделения; г - кинетический анализ процессов гидратации
Анализ формирования поровой структуры твердеющих вяжущих веществ свидетельствует о наличии нескольких областей распределения пор по размерам, характерным для определенного типа вяжущего. Изменение микропористости при твердении цемента подобно характеру формирования поровой структуры при гидратации трехкальциевого силиката 03Б. Наблюдаются аналогичные области распределения, относящиеся к капиллярной и гелевой микропористости. Однако за счет срастания кристаллов гидроалюминатов и гидросульфоалюминатов с волокнистыми гидросиликатами общая пористость уменьшается: в первые сутки твердения с 0.6 для 03Б до 0.4 см3/г для цемента, на третьи сутки с 0.5 до 0.3 см3/г и на седьмые сутки с 0.42 до 0.2 см3 /г.
Таким образом, можно сделать вывод о том, что гидросиликаты кальция обусловливают наличие гелевой микропористости в интервале 1.0-2.5 нм, а гидроалюминаты и гидросульфоалюминаты определяют снижение суммарного объема пор.
Термокинетический анализ закономерностей процессов твердения неорганических вяжущих веществ по признакам скорости и полноты протекающих реакций впервые позволил классифицировать их на три
типа [5]. К первому типу отнесены высокореакционные вяжущие - СаО, ЗСаО • А12О3 и др. На зависимостях dQ/dт =1(Р) выделяются только ускоренные и замедленные периоды. Этот вид твердения в нормальных условиях не приводит, как правило, к образованию прочных структур. Большинство традиционных вяжущих, обладающих заданными прочностными характеристиками (цементы, строительный гипс, 3 СаО • БЮ2 и др.) относятся ко второму типу. Фиксируются индукционный, ускоренный и замедленный периоды взаимодействия. Ход и продолжительность реакций, максимум скорости которых соответствует а порядка 0.30.5, обеспечивает достижение требуемых физико-химических свойств.
¿0 И
Л)
Э ИДО
Рис. 2. Комплекс задач термодинамического анализа: а
- анализ льдообразования в твердеющих вяжущих при замораживании; б - распределение пор по размерам; в
- определение количества свободной воды в процессе
твердения
Низкая интенсивность реакций продолжительностью от нескольких суток до нескольких месяцев, иногда и лет, характерна для вяжущих, реакционная способность которых практически не проявляется в нормальных условиях (шлаки, золы, силикаты кальция - 2СаО- БЮ2 , смеси СаО и БЮ2). Этот тип вяжущих может твердеть и достигать требуемой прочности только при приложении активационных воздействий -температуры, давления, механохимической активации.
Таким образом, термокинетический анализ позволяет количественно оценивать интенсивность и продолжительность основных периодов гидратационного взаимодействия, определять интегральное тепловыделение, создавать базы имитационных моделей прогноза основных физико-механических показателей с
определением условий обеспечения заданных свойств материалов. Кинетические и термодинамические характеристики, полученные с помощью концептуального калориметрического анализа, могут использоваться в новых информационных технологиях и экс-
пертных системах, поскольку их основой являются базы знаний о кинетике гетерогенных реакций гидратации и структурообразования в дисперсных системах типа вяжущее - вода [6].
Библиографический список
1. Кузнецов В.И., Зайцева З.А. Химия и химическая технология. Эволюция взаимосвязей. М.: Наука, 1984. 295 с.
2. Slockhausen N. Darner H., Zech I., Setier MJ. Unter-suchung von Gefriervorgangen in Zementstein mit Hilfe der DTA // Cem. Conor. Res. 1979. V. 9. P. 783-785.
3. Beddoe R.E. Setier MJ. Phase Transformations of Water in Hardened Cement Paste a Low-Temperature DSC Investigation // Cem. Concr. Res. 1990. V. 20, P. 236-242.
4. Brun M., Lallemand A., Quinson J.F., Eyrand C. Pore Structure and Properties of Materials // J. Chem. Phys. 1973. № 6. P. 37-43.
5. Ушеров-Маршак А.В. Тепловыделение цемента. M.: ВНИИЭСМ, 1980. 68 с.
6. Geofrey J.O., Clifton J.K. Fommershein J.M. et al. Implication of Computer-Based Simulation Models, Expert Cement Research // Ceramic Bulletin. V. 67. № 8. (USA).
УДК 621.1
К ВОПРОСУ ПОВЫШЕНИЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИЙ
H.П.Сигачев1, Л.И.Елисеева2, М.В.Востриков3, Я.В.Клочков4
I,3,4Забайкальский институт железнодорожного транспорта, 672040, г. Чита, ул. Магистральная, 11.
2Читинский государственный университет, 672039, г. Чита, ул. Александрово-Заводская, 30.
Рассматриваются вопросы повышения теплоустойчивости зданий при аварийном отключении системы теплоснабжения. Созданная имитационная модель позволяет найти оптимальное решение по выбору ограждающих конструкций. Рассмотрен вопрос увеличения времени остывания здания до критических значений температур. Ил. 3. Библиогр. 6 назв.
Ключевые слова: теплоустойчивость; имитационное моделирование; энергобезопасность; энергоэффективность.
ON THE ISSUE TO INCREASE THE ENERGY EFFICIENCY OF BUILDINGS AND CONSTRUCTIONS N.P. Sigachev, L.I. Eliseeva, M.V. Vostrikov, Ya.V. Klochkov
Trans-Baikal Institute of Railway Transport, 11, Magistralnaya St., Chita, 672040. Chita State University,
30, Alexandrovo-Zavodskaya St., Chita, 672039.
The authors deal with the issues of improving building heat resistance during an emergency cut-out of the heating system. The created simulation model allows to find an optimal solution for the choice of enclosures. The authors consider the question of increasing the cooling time of a building to critical temperature values. 3 figures. 6 sources.
Key words: thermal resistance; simulation; energy safety; energy efficiency.
В настоящее время все больше внимания уделяется безопасности и энергоэффективности зданий и сооружений [1,2]. Наряду со строительством новых зданий в соответствии с принятыми федеральными законами, в Российской Федерации значительная часть жилищного фонда эксплуатируется более четверти века. Современные инженерно-технические решения позволяют практически полностью восстановить эксплуатируемый объект, а в некоторых случаях
улучшить его характеристики. Найти оптимальный вариант решения сложной многофакторной задачи обеспечения микроклимата невозможно без комплексного подхода к оценке особенностей природно-климатических воздействий, архитектурно-планировочных решений, теплоизоляционных свойств ограждающих конструкций, режима работы систем отопления, вентиляции и кондиционирования, возможностей автоматизации инженерных систем здания
1Сигачев Николай Петрович, доктор технических наук, профессор, директор. Sigachev Nikolay Petrovich, Doctor of technical sciences, professor, Director.
2Елисеева Людмила Ионовна, ведущий инженер проектно-технологического бюро. Eliseeva Lyudmila lonovna, leading engineer of design and technological bureau.
3Востриков Максим Викторович, старший преподаватель кафедры электроснабжения. Vostrikov Maxim Viktorovich, senior lecturer of the chair of Power Supply.
4Клочков Яков Владимирович, студент. Klochkov Yakov Vladimirovich, student.
