CC BY
35
112
Вестник ТГАСУ № 4, 2008
2. Шубин, В.И. Высокотемпературный синтез портландцементного клинкера / В.И. Шу-
бин, В.В. Смазнов, Ю.Ф. Хныкин // Цемент. - 1988. - № 3. - С. 21-22.
3. Бурлов, Ю.А. Состав и свойства клинкеров при плазменной обработке сырьевых мате-
риалов / И.Ю. Бурлов, Ю.Р. Кривобородов, С.Н. Федулов // Междунар. совещ. по химии и технологии цемента. - М., 1996.
4. Тимашев, В.В. Избранные труды. Синтез и гидратация вяжущих материалов /В.В. Ти-машев. - М. : Наука, 1986. - 424 с.
5. Использование плазменного нагрева для получения цемента / О.И. Недавний, Г.Г. Во-
локитин, Н.К. Скрипникова [и др.] // Цемент. - 1992. - № 4. - С. 75-78.
G.G. VOLOKITIN, N.K. SKRIPNIKOVA, N.A. POZDNYAKOVA,
O.G. VOLOKITIN, A.V. LUCENKO
HIGH-TEMPERATURE METHOD OF MANUFACTURING THE CEMENT CLINKER USING LOW-TEMPERATURE PLASMA AND ELECTRIC WARM UP (JOULE HEATING)
The possibility of obtaining the cement clinker at high temperatures, using low-temperature plasma and electric warm up (Joule heating) based on natural components and industrial waste was investigated. When using these methods at high temperatures, the DIT intensification of synthesis of the major clinker phases occur, allowing to obtain cement clinker on the basis of technological waste, that at traditional technologies it is not possible.
УДК 624.131.3:621.385.6
Л.В. ГОНЧАРОВА, канд. геол.-мин. наук,
В.И. БАРАНОВА, канд. геол.-мин. наук,
В.И. ДИВИСИЛОВА, канд. геол.-мин. наук,
Ю.М. ЕГОРОВ,
В.М. ФЕДОРОВ,
МГУ, Москва
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРОНИЦАЕМОСТИ ГЛИНИСТЫХ ГРУНТОВ ПРИ ИХ СВЧ-НАГРЕВЕ
Предлагается расчетный способ определения диэлектрической проницаемости па = 0) глинистых грунтов с использованием результатов корреляционного анализа ее зависимостей от влажности ^, %) при 20 °С и от температуры (Т, °С). Вводится температурная поправка влажности с учетом стадийности миграции влаги в процессе дегидратации полиминерального суглинка, каолинитовой и монтмориллонитовой глин при мощностях СВЧ-излучения 265, 500 и 830 Вт на частоте 2450 МГц.
Диэлектрический нагрев грунтов происходит за счет энергии поглощения СВЧ-излучения и диэлектрических потерь трехфазной дисперсной системы, образующихся в результате взаимодействия воздуха, порового раствора, минералов с электромагнитным полем и перехода потерь в тепло. В процессе
© Л.В. Гончарова, В.И. Баранова, В.И. Дивисилова, Ю.М. Егоров, В.М. Федоров, 2008
нагрева изменяется диэлектрическая проницаемость дисперсных грунтов: трехфазная система переходит в двухфазную (дегидратация), изменяется плотность взаимодействующих фаз, структура минералов и концентрация по-рового раствора.
Диэлектрические потери и проницаемость при 20 °С (до нагрева) определялись по разработанной нами методике для дисперсных грунтов в диэль-кометре на частоте 2450 МГц [1-3]. Методика позволяет проследить изменение диэлектрической проницаемости (в ' „а = 0) и потерь (в ' '„а = 0) в процессе дегидратации двухфазной дисперсной системы путем исключения аэриро-ванности („а) - объема пор, занятых воздухом [2].
В табл. 1 приводятся средние значения диэлектрической проницаемости глинистых грунтов различного минерального состава при их характерных влажностях состояния на частоте 2450 МГц, полученные при гидратации и дегидратации на воздухе при 20 °С. Значения в' „а = 0 увеличиваются с увеличением влажности глин. Проведенные исследования зависимости диэлектрических свойств дисперсных грунтов от их влажности при 20 °С позволили установить очень тесные корреляционные связи между диэлектрической проницаемостью и влажностью глинистых грунтов. Коэффициенты парных корреляций для зависимости в '„а = 0 = / (^, %) колеблются у каолиновых глин
0,78-0,98, у монтмориллонитовых глин от 0,40 до 0,86, а у исследованных по-лиминеральных глин 0,95 [6]. Графический анализ (тренд-анализ) зависимости в' „а = 0 = /(^, %) при 20 °С на частоте 2450 МГц у глинистых грунтов, отобранных для проведения научно-методических разработок и исследований диэлектрического нагрева в СВЧ-поле, позволил аппроксимировать ее полиномами, логарифмическими, степенными или линейными уравнениями с достаточной степенью достоверности (В2).
Таблица 1
Средние значения диэлектрической проницаемости (е' па = 0) глинистых грунтов различного минерального состава при их характерных влажностях состояния на частоте 2450 МГц при 20 °С
Название грунта Значения Диэлектрическая проницаемость (в ' „а = 0) при влажностях состояния
W гг тту WP WL WA
Монтмориллонито-вые глины Средние 12,35 16,3 18,57 29,43 42,7
Предельные 8,7-15,0 11,16- 21,0 12,4- 22,3 16,7- 42,8 22,0- 74,4
Каолинитовые глины Средние 13,4 18,29 19,97 27,3 35,7
Предельные 11,0-16,2 13,6-21,0 14,5- 22,8 18,7- 33,0 25,9- 41,5
Полиминеральные глины и суглинки Средние 14,63 20,30 21,97 28,17 31,90
Предельные 12,3-16,2 17,1-22,4 21,0- 23,5 28,0- 28,4 30,6- 34,1
В табл. 2 приводятся значения в' па = 0 для мономинеральных глин и тяжелого полиминерального суглинка при их характерных влажностях состояния, исследованных при дегидратации на воздухе и выбранных для исследования миграции влаги при СВЧ-нагреве. У полиминеральных и каолини-товых глин зависимость диэлектрической проницаемости от влажности с достаточной степенью достоверности (Я2 > 0,7) характеризуется линейными уравнениями и полиномами, а для монтмориллонитовых глин полиномы, логарифмические и степенные уравнения повышают значения достоверности аппроксимации выше 0,63. Получены линейные уравнения зависимости в 'па = о = /(м, %) при 20 °С:
- для монтмориллонитовой глины еР®0Ё\ (огланлинский бентонит, Узбекистан)
в 'па = 0 = 0,16Ж + 11,99 при Я2 = 0,63; (1)
- для каолиновой глины еР® 1_2 (Глуховец, Украина) уравнение имеет вид
в ' па = 0 = 0,41 Ж + 8,79 при Я2 = 0,96; (2)
- для полиминерального суглинка 1-а QIv (Башкортостан) уравнение имеет вид
в ' па = 0 = 0,44Ж + 4,26 при Я2 = 0,91. (3)
Таблица 2
Диэлектрическая проницаемость глин полиминерального суглинка при их характерных влажностях состояния на частоте 2450 МГц при 20 °С
Название грунта Диэлектрическая проницаемость (в ' па = 0) при влажностях состояния
Wmg Ж гг тту Ж п р Жь Жа
Бентонит (Огланлы) еР®1о®1 15,0 21,0 22,3 28,8 31,4
Каолин (Глуховец) еР&-2 13,0 20,7 22,8 33,0 39,8
Полиминеральный тяжелый суглинок 1-а ^ 15,4 17,1 21,4 28,4 30,6
Примечание. Влажности состояния глинистых грунтов [7, 8]:
Жтя - максимальная гигроскопичность (по Николаеву), соответствует связанной воде, адсорбированной на минеральной поверхности, и обусловливает твердое состояние глинистых грунтов; Жтту - максимальная молекулярная влагоемкость (по Лебедеву), соответствует осмотически поглощенной связанной воде и обусловливает переходное состояние от твердого к полутвердому;
Жр - влажность нижнего предела пластичности (раскатывание в шнур), соответствует осмотически поглощенной и капиллярно-поглощенной воде и обусловливает переход от полутвердого к тугопластичному состоянию грунта;
- влажность верхнего предела пластичности (конус Васильева), соответствует капиллярнопоглощенной воде и обусловливает пластичное состояние глинистых грунтов с проявлением усадки при дегидратации;
ЖА - влажность предела текучести (по Аттербергу) соответствует появлению свободной воды.
Эти уравнения использовались нами при расчете диэлектрической проницаемости выбранных грунтов в процессе их дегидратации при нагреве в СВЧ-поле.
Нагрев образцов глинистых грунтов проводился в ячейке, оборудованной датчиком веса, включенной в волноводный тракт с генератором «Хурма» и датчиками падающей, прошедшей и отраженной мощностей [4, 5]. Исследования гидратации образцов грунта в процессе нагрева проводились при мощностях генератора 265, 500 и 830 Вт на частоте 2450 МГц.
В подходе к определению диэлектрической проницаемости глин при нагреве учитывались: стадийность миграции влаги в образцах грунта при СВЧ-нагреве [3, 4] и проведенный корреляционный анализ зависимости Ж, % - Т, °С (влажности от температуры) на каждой стадии миграции влаги при дегидратации глинистых грунтов.
Установлено [4], что при диэлектрическом нагреве на I стадии миграции влаги в поровом пространстве образцов грунта не возникает корреляционных связей между влажностью и температурой (г = 0). В период вхождения СВЧ-волны (5 с) температура влажного грунта зависит от действующей мощности генератора: при 830 > 500 > 265 Вт. Следовательно, приведенные уравнения (1), (2), (3) зависимости в' па = 0 = / (Ж), полученные в результате корреляционного анализа данных диэлькометра на частоте 2450 МГц при 20 °С, применимы для расчета диэлектрической проницаемости по влажности на I стадии дегидратации влажных грунтов при их СВЧ-нагреве.
На рис. 1 представлены изменения влажности и диэлектрической проницаемости, рассчитанной по тем же уравнениям (1), (2) и (3) при экспериментальных влажностях, от температуры нагрева в СВЧ-поле с мощностью 265 Вт. Сравнение графиков изменения влажности и диэлектрической проницаемости подтверждает прямую зависимость этих характеристик при нагреве: чем больше влажность, тем больше диэлектрическая проницаемость глинистых грунтов. Наблюдаются синхронные температурные эффекты изменения влажности состояния и диэлектрической проницаемости исследованных грунтов: у монтмо-риллонитовой глины в интервале влажностей ЖА-ЖЬ при Т = 320-360 °С, у као-линитовой глины при (температура около 80 °С) и при Жг (120 °С), а у по-лиминерального суглинка при ЖА-ЖЬ (90-95 °С) и при Жр (128-132 °С). Синхронные изменения влажности и диэлектрической проницаемости в процессе дегидратации глинистых грунтов при нагреве связаны с механизмами миграции влаги в дисперсных грунтах различного химико-минерального состава, дисперсности, с плотностью, химическим составом и концентрацией жидкой фазы, структурными изменениями воды, связанной с минеральной поверхностью. В частности, эндо- и экзотермические эффекты минералов и жидкой фазы грунта оказывают влияние на скорость их нагрева на второй стадии миграции влаги из образца грунта до 100 и больше 100 °С.
Для использования уравнений зависимости в' па = 0 = / (Ж) на II стадии миграции влаги из образцов грунта при их нагреве необходимо введение температурной поправки влажности на каждой стадии миграции влаги в грунте. Проведенный анализ корреляций влажности и температуры при нагреве на II стадии миграции влаги свидетельствует об их весьма тесных корреляци-
онных связях при всех исследованных мощностях СВЧ-излучения при нагреве до 100 °С. Установлено, что коэффициент парных корреляций между Ж и Т для каолиновой глины равен от -0,64 до -0,99, для монтмориллонитовой глины от -0,97 до -1,0, а для полиминерального суглинка от -0,99 до -0,68. Тренд-анализ зависимости Ж = / (Т, °С) исследованных грунтов на II стадии миграции влаги из образцов глинистых грунтов при различных СВЧ-мощностях позволил получить линейные уравнения для введения температурной поправки влажности Ж = -а (Т, °С) + Ь. Использованы линейные уравнения вида Ж = -а (Т, °С) + Ь для СВЧ-мощности 265 Вт.
Рис. 1. Изменение влажности и диэлектрической проницаемости глинистых грунтов в процессе их диэлектрического нагрева при мощности СВЧ-излучения 265 Вт на частоте 2450 МГц:
1 - изменение влажности Ж, %; 2 - изменение диэлектрической проницаемости при ппа = 0
На рис. 2 представлены изменения диэлектрической проницаемости глинистых грунтов в зависимости от их влажности, измеренной на диэлько-метре при дегидратации глинистых грунтов на воздухе в течение 1,5-2 недель, рис. 2, а; рассчитанной по линейным уравнениям, полученным в корреляционном анализе [6] зависимости в' па = 0 = / (Ж), по экспериментальным влажностям в процессе дегидратации глинистых грунтов при диэлектрическом нагреве, рис. 2, б (кривая 1); по влажности с введением температурной поправки по уравнениям зависимости влажности от температуры при СВЧ-нагреве грунтов на II стадии миграции влаги из образца до 100 и больше 100 °С, рис. 2, б (кривая 2).
Рис. 2. Изменение диэлектрической проницаемости (є) монтмориллонитовой, каолини-товой глин и полиминерального суглинка в зависимости от их влажности: а - при дегидратации на воздухе 1,5-2 недели при 20 °С; б - при диэлектрическом нагреве с мощностью СВЧ-излучения 265 Вт в течение 10 мин:
1 - рассчитанные по экспериментальным влажностям при нагреве; 2 - рассчитанные с температурной поправкой влажности на II стадии миграции влаги в глинистых грунтах
Сравнение экспериментальной диэлектрической проницаемости грунтов в процессе дегидратации образца на воздухе при 20 °С, (диэлькометр на частоте 2450 МГц) и рассчитанной в ' па = 0 по уравнениям (1), (2), и (3) для образцов грунта при диэлектрическом нагреве в течение 10 мин на той же частоте при СВЧ-мощности 265 Вт, показывает:
1. Значения в' па = 0 исследованных глинистых грунтов при дегидратации на воздухе (см. рис. 2, а) и рассчитанные по линейным уравнениям (1), (2), (3) корреляционного анализа зависимости в 'па = 0 = /(Ж) при диэлектрическом нагреве, рис. 2, б (кривая 1) очень близки: расхождение не более 4 %.
2. Полученные в результате корреляционные уравнения (1), (2) и (3) зависимости в па = 0 = / (Ж) пригодны для расчета диэлектрических потерь глинистых грунтов по их влажности в процессе диэлектрического нагрева.
3. Введением температурной поправки влажности глинистых грунтов в процессе дегидратации при диэлектрическом нагреве по линейным уравнениям корреляционного анализа вида Ж = -а (Т, °С) + Ь до 100 и выше 100 °С учитывается стадийность миграции влаги при нагреве глинистых грунтов, рис. 2, б (кривая 2).
4. Изменение в па = 0 глинистых грунтов в зависимости от влажности с учетом стадийности миграции влаги при нагреве подтверждает прямую зависимость в па = 0 = / (Ж) и обнаруживает влажности переходных состояний для каждого исследованного грунта, рис. 2, б (кривая 2): при характерных влажностях наблюдаются «эффекты стабилизации» значений в ' па = 0.
5. Эффект стабилизации в па = 0 у каолиновой глины и полиминераль-ного суглинка отмечается при увеличении влажности грунта, а у монтмо-риллонитовой глины - с ее уменьшением, что вероятно, связано с усадочными явлениями подвижной кристаллической решетки монтмориллонита при нагреве.
Предложенный способ определения диэлектрической проницаемости глинистых грунтов при нагреве может быть использован в прогнозном моделировании термообработки дисперсных грунтов в массивах. Полученные результаты определения диэлектрической проницаемости глинистых грунтов при СВЧ-нагреве имеют научно-методическое и практическое значение. При накоплении достаточных данных для зависимости в 'па = 0 = аЖ + Ь коэффициенты а и Ь могут быть унифицированы для моно- и полиминеральных глинистых грунтов с учетом их региональных и генетических особенностей и найдут применение в полевых методах исследования. Создание специальных приборов и контрольного оборудования с соответствующим программным обеспечением будет способствовать развитию новых быстрых термических методов исследования в грунтоведении.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Способ определения диэлектрических свойств дисперсных минералов и горных пород / Л.В. Гончарова, В.И. Баранова, Ю.М. Егоров [и др.] // Обеспечение надежности материалов. - Томск : Изд-во ТГАСУ, 1993. - С. 39-44.
2. Способ определения плотности жидкой фазы в дисперсной системе: а.с. 179339 А / Л.В. Гон-
чарова, В.И. Баранова, Ю.М. Егоров, В.М. Федоров; опубл. 07.02.93, Б.И. № 5.
Вестник ТГАСУ № 4, 2008
119
3. Способ прогноза термообработки грунтов СВЧ-энергией / Л.В. Гончарова, В.И. Баранова, Ю.М. Егоров [и др.] // Труды материалов конференции по механике и фундамен-тостроению. - СПб., 1995. - Т. 2. - С. 230-236.
4. Методика исследований миграции влаги в глинистом грунте при его сушке в СВЧ-поле
/ Л.В. Гончарова, В.И. Баранова, Ю.М. Егоров [и др.] // Повышение надежности транспортных сооружений в условиях Сибири. - Томск : Изд-во ТГАСУ. - С. 21-28.
5. Новые методы и геотехнологии преобразования грунтов энергией плазмы и СВЧ-поля.
Ч. 2 / Л.В. Гончарова, В.И. Баранова, Ю.М. Егоров [и др.]. - Томск, 2003. - С. 103-237.
6. Корреляционная зависимость диэлектрических свойств глинистых грунтов от влажно-
сти в электромагнитном поле на частоте 2450 МГц / Л.В. Гончарова, В.И. Баранова, Ю.М. Егоров [и др.] // Вестник ТГАСУ. - № 2. - 2006. - С. 187-199.
7. Грунтоведение. - М. : Изд-во МГУ и Наука, 2005. - С. 131-157.
8. Грунтоведение / под ред. Е.М. Сергеева. - М. : Изд-во МГУ, 1973. - 388 с.
L.V. GONCHAROVA, V.I. BARANOVA, V.I. DIVISILOVA, YU. M. EGOROV, V.M. FEDOROV
METHOD OF DIFINITION OF IELECTRIC PERMEABILITY OF CLAY GROUND AT OHF HEATING
The calculated method of dielectric permeability definition ^ „=<,) of clay grounds with using of correlation analyses results g, „=o from moisture (W, %) at 20 °C and from temperature (T, °C) with registration phases of water migration in process of dehydration loam, kaolinite and montmoillonite clays at powers OHF emanation 265, 500 and 830 Wt with 2450 MHz are proposed.
УДК 624.131.431.3:621.385.6
Л.В. ГОНЧАРОВА, канд. геол.-мин. наук,
В.И. БАРАНОВА, канд. геол.-мин. наук,
В.И. ДИВИСИЛОВА, канд. геол.-мин. наук,
Ю.М. ЕГОРОВ,
Б. В. НЕЧИПОРЕНКО,
В.М. ФЕДОРОВ МГУ, Москва
КОРРЕЛЯЦИОННЫЙ АНАЛИЗ МИГРАЦИИ ВЛАГИ В ДИСПЕРСНЫХ ГРУНТАХ ПРИ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОМ НАГРЕВЕ В ЭЛЕКТРОМАГНИТНОМ СВЧ-ПОЛЕ НА ЧАСТОТЕ 2450 МГЦ
Разработанная методика исследований миграции влаги в дисперсных грунтах при их диэлектрическом нагреве и контроль изменений веса влажного образца, падающей, прошедшей и отраженной СВЧ-мощностей позволили получить синхронное изменение расчетных характеристик диэлектрических потерь (є ''па = 0), влажности (Ш, %), температуры (Т, °С) и скорости нагрева (Т, °С/т, с) грунтов. Представлены данные расчета коэффициентов парных корреляций для зависимостей (є '' па = 0 - Ш, є'' па = 0 - Т, °С и є'' па = 0 - Т, °С/т, с с учетом стадийности миграции влаги в процессе дегидратации полиминерального суглинка, каолинитовой и монтмориллонитовой глин при мощностях СВЧ-излучения 265, 500
© Л.В. Гончарова, В.И. Баранова, В.И. Дивисилова, Ю.М. Егоров, В.М. Федоров, 2008
