ПРОИЗВОДСТВО СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЭФФЕКТА КАВИТАЦИИ ДЛЯ АКТИВАЦИИ ЦЕМЕНТНЫХ ВЯЖУЩИХ ВЕЩЕСТВ Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 6-022.532

ПРОИЗВОДСТВО СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЭФФЕКТА КАВИТАЦИИ ДЛЯ АКТИВАЦИИ ЦЕМЕНТНЫХ ВЯЖУЩИХ ВЕЩЕСТВ

А.В. Сёма, А.П. Бондаренко

Рязанский институт (филиал) Московского политехнического университета, Рязань, РФ

Аннотация.

Целью интенсификации технологических процессов является повышение производительности технологического оборудования и уровня автоматического управления, улучшение качества готовой продукции, снижение материальных и энергетических затрат. В статье рассмотрено явление кавитации, которая оказывает положительное влияние на характеристики готового изделия. Представлено способы активации цемента с помощью кавитации.

Ключевые слова:

кавитация, интенсификация, бетон, цемент, активационное оборудование. История статьи: Дата поступления в редакцию 02.02.21

Дата принятия к печати 06.02.21

Введение.

Система социально-экономического развития России предусматривает увеличение производства на основе инноваций, создаваемых в процессе научной и инженерной деятельности. Увеличение процессов связано с решением комплексной научно-технической проблемы. Рост направлен на увеличение экономической эффективности в результате целенаправленного воздействия на производительность оборудования, уменьшение расхода материалов и энергии, улучшение качества продукции, снижение затрат труда и др. Системный подход к решению данной проблемы позволяет выделить отдельные процессы технологии, основные принципы использования физических воздействий, составить модель физического процесса на макроуровне, выявить основные недостатки и по принципу суммарного сложения решить проблему в целом.

Целью интенсификации технологических процессов является повышение производительности технологического оборудования и уровня автоматического управления, улучшение качества готовой продукции, снижение материальных и энергетических затрат. Целевыми задачами интенсификации является сокращение продолжительности лимитирующих стадий процессов, сокращение энергозатрат, увеличение производительности, КПД, модернизация наиболее распространенных и наиболее энергоемких технологических процессов, улучшение качества готовой продукции, получения новых свойств, использование непрерывных процессов и др. [1].

Анализ современной литературы показал, что процесс кавитации широко используется в пищевой, химической, фармацевтической, строительной промышленности и является эффективным с экологической, энергетической точки зрения.

Основная часть. Актуальность темы связана с тем, что в строительной отрасли для решения проблем устойчивости к нагрузке на изгиб бетона в современном мире используют кавитацию, которая оказывает положительное влияние н характеристики готового изделия.

Под «кавитацией» понимают явление энергии — от 103 до 1021 Вт / м3 [1-8]. Кавитация возникает вследствие локального снижения давления до значений давления насыщенного водяного пара при соответствующих условиях.

Рис. 1 Кавитация

Явление кавитации совершенно одинаково и для потока, обтекающего неподвижное тело, и для среды, в которой движется тело. В обоих случаях важны лишь относительная скорость и абсолютное давление. Соотношение между давлением и скоростью, при которых происходит кавитация, дается безразмерным критерием а, который называется кавитационным коэффициентом (числом кавитации) и определяется выражением

где ру — давление насыщенного пара жидкости при данной температуре.

«в

Р.(Т)

«л-!«

к

г А но<К1 }

леи ¿? . . /»

/кипение

..... •^ДПк \П1П \1|НЯ

У ;: 1 ти)нп1и( пор --ы--... . >

173,«. Г1

Рис. 2 Кавитация

Т. Л'

В зависимости от причин, вызывающих такое снижение, выделяют 4 вида кавитации [3]:

1) резкое изменение скорости жидкости определяется геометрией системы, — гидродинамическая;

2) влияние звуковых волн (как правило, УЗ-диапазона — 1,6 • 104 ... 108 Гц) — акустическая;

3) фотоны света очень большой интенсивности (лазеры), способны разрывать жидкость, — оптическая;

4) использование пучков элементарных частиц (протонов, нейтронов, электронов и т.д.) для разрыва жидкости — кавитация, обусловленная частицами.

Высокие энергозатраты для получения элементарных частиц и оказания им необходимой кинетической энергии, сложность конструктивного исполнения и эксплуатации аппаратов для осуществления вышеупомянутых функций ограничивают сферу применения двух последних видов кавитации лабораторными исследованиями.

Гидродинамическая и акустическая кавитация важные методы интенсификации гидромеханических, тепловых и массообменных процессов: очистки и обеззараживания сточных вод; дезинфекции и повышения срока хранения продуктов в пищевой промышленности; очистки диффузных соков и повышения реакционной способности суспензий известкового молока в сахарной промыш-

г

м

а

м Э СО

* I

со га

13 £

ц ш

2е

14 ■& 5 т

£ * £2

0 га ^ со

1 0

Ш л ^ *

< о

со

= 8

< га

г Р

:ш га и 2

«¡3

С I

ленности; обработки поверхностей деталей; снижение вязкости нефти и эпоксидных смол; разрыхление пластов угля [3]; получения нано материалов — кластеров нано алмазов с размерами кристаллов (1 ... 3) • 10-8 м [1], нано частиц кальцита [3], новых материалов графенового и фулеренових типов с водной суспензии карбоновмисних материалов и т.д.

Нелинейное дифференциальное уравнение, описывающее простую модель сферически-симметричной пульсации газовой полости радиусом r = R(t) в поле плоской звуковой волны, имеет вид:

+1 ( § î +Р « «л-0

(1)

Аналитическое решение этого уравнения, получено Рэлеем при простейших условиях: Рш = Ра; Р(Я) = 0. В этом случае уравнение (1) переходит в уравнение захлопывания пустой полости под действием гидростатического давления:

R

d 2 R 3 ( dR л 2

11 dR I +1 [P.-iCR)j-0.

dt2 2 ^ dt ) p ■ Время захлопывания пустой полости определяется из формулы Рэлея:

(2)

t с = 0,915ЯтахЛ/^р

(3)

Уравнение, описывающее изменения радиуса кавитационной полости в поле ультразвуковой волны известно, как уравнение Нолтинга- Неппайреса:

R-

dt2

- + —

21 dt

+

2а

P- P - PaSin ш + — -R

г 0 л

p + — " Ro

3у

= 0 .

(4)

Уравнение (4) достаточно хорошо описывает поведение кавитационного пузырька в поле ультразвуковой волны, но допущения о не сжимаемости жидкости не позволяют правильно оценить конечную стадию захлопывания кавитационного пузырька.

Динамику кавитационного пузырька с учетом сжимаемости описывает уравнение Херринга-Флинна (5). Уравнение (5) более точно описывает динамику кавитационного пузырька с учетом сжимаемости, но

неадекватно при скоростях движения, сравнимых со скоростью звука с0, что характерно для конечной стадии захлопывания пузырька.

^ dR Л ( dR Л

R

1 - 2

dt

d R 3 —+2

dt

1 - 4 dt_

3 c0

dR dt

1

+ — P

2ct

Pc-Pn - Pasin Ш + - + -R

4И

dR dt

R

( 2rЛ

P +—

c Ro

3y

(5)

dR ( dR Л

+ R dt P co

1-

dt

dP( R) dR

= 0.

Этот недостаток устранен в уравнении Кирвуда-Бете, выведенного с допущением о сферичности волн конечной амплитуды, образующихся при захлопывании полости:

2

Р

2

+

c

o

+

c

o

с = [ + (и -1) н]°'5 ; А, В, п — постоянные коэффициенты, для воды А = 300 МПа, В = 300 МПа, п = 7.

Уравнения (4), (5) и (6) не решаются в общем виде.

Для улучшения механических свойств цементных бетонов их модифицируют дисперсными приложениями — карбоновыми нанотрубками, которые обрабатывают в гидродинамическом ка-витаторе [3]. Известны процессы кавитационной активации реагентов или продуктов галургийных производств.

Деструкция биомассы (отходы, зеленая масса, активный ил очистных сооружений) в кавитаци-онных полях интенсифицирует процесс производства биогаза [3]. При этом значительно сокращается период брожения биомассы, что позволяет строить биореакторы меньших размеров, стабилизируются биологические процессы, проявляется в отсутствии пенообразования в верхней части биоректора и, как следствие, повышается эффективность использования полезного объема аппарата.

Интенсификация вышеупомянутых процессов объясняется возникновением ряда эффектов, сопровождающих кавитацию. Среди них выделяют первичные, имеющиеся во время любого кави-тационного процесса, и вторичные, требуют создания дополнительных условий в зоне кавитации и связанные с конкретной группой процессов (механические, гидромеханические, тепловые, массо-обменные и т.п.).

К первичным эффектам относятся [3]: повышение давления (до 108 ... 109 Па) и температуры (до 103 ... 104 К) в зоне схлопывания кавитационных пузырьков, и приводит к нагреванию всего объема жидкости за счет теплопроводности; излучения акустических импульсов различных интенсивности и частоты; дегазация жидкости; люминесценция; возникновения ударных волн и кумулятивных микротечений диаметром около (3 ... 7) • 10-5 м, скоростью течения 100 ... 500 м / с; активное обновление поверхностей с образованием ювенильных реакционные участков; фазовые переходы на поверхности кавитационных пузырьков; изменение электрического потенциала, электропроводности, коэффициентов тепло- и массоотдачи, величины рН среды.

Группа вторичных эффектов, закономерны последствиями действия первичных, насчитывает много элементов [3]: диспергирование твердых веществ; очистка поверхности материала; эмульгирование; разрушение больших молекул и разрыв полимерных цепей; инициирование и ускорение химических и звукохимических реакций вследствие сонолиза воды (образование высокоактивных частиц — возбужденных молекул воды, радикалов водорода, кислорода, гидроксильных и перок-сидных, ионов водорода и гидроксильных, молекул водорода, кислорода, водорода пероксида и т.п.); очистки и обеззараживания жидкостей.

Важнейшими характеристиками кавитационных явлений являются энергетические, в частности: расходы энергии на создание, развитие кавитационной зоны и ее поддержание на определен-

03

г

м О

-I

м

Э СО

I

.о

<и н

О

а н

и

о и н и 4

5

га н

и

га ¡е

га

_ «и

3 И 0 2 В I

^ I

0 га ^ и

1 ° £ 2

Ъ *

< о

4 с

I 8

■ к = I

<1 га

§ Р

:Ш га

и 2

® з

< 2

ном уровне, удельные энергозатраты, величина тепловой энергии, выделяющейся в результате кавитации. Современные знания и развитие технологий производства строительных материалов позволяют использовать эффект кавитации для активации цементных вяжущих веществ.

С точки зрения технологии производства бетона, одним из главных технологических параметров, влияющих на распространение кавитационного процесса в цементной суспензии и на прочность бетона, является водоцементное отношение (В/ Ц). С точки зрения источника ультразвуковых колебаний, используемого для получения кавитационного эффекта в водоцементных суспензиях, основным технологическим показателем является интенсивность ультразвука.

На основании анализа данных, которые были получены А.Б. Десовым, из работ профессора Зубри-лова С.П. [6] построены графики зависимости структурной вязкости от ЦВ при различных амплитудах вибрирования цементов с тонкостью помола г см 3000 4000 2 > (рис. 3).

° 0.2 О.З 0,4 0,5 0.6 0,7 0,Н

Рис. 3 Зависимость структурной вязкости h от В/Ц при различных амплитудах вибрирования

Однако, как отмечается многими авторами [6] вязкость цементной суспензии Ь зависит не только от ЦВ и амплитуды колебаний. Она, кроме этого, зависит: от частоты колебаний; температуры суспензии; наличие поверхностно активных добавок и т.д. Поэтому аналитически можно отметить, что фактическая вязкость суспензии, обрабатываемая ультразвуком, будет ниже, чем на графике (рис. 3). Это можно объяснить следующими показателями:

• при ультразвуковой обработке температура суспензии растет, а вязкость, соответственно, уменьшается;

• при наличии добавок и пластификаторов пластичность суспензии возрастает, а вязкость падает;

• с увеличением частоты ультразвука вязкость незначительно увеличивается.

В процессе распространения плоских ультразвуковых волн в вязкой среде исходная интенсивность ультразвука (10) уменьшается по мере удаления от источника излучения согласно формуле:

10 = 1С * е -2*а*х , (7)

где: I — кавитационный порог для суспензии, определяется по формуле

см2'

а — коэффициент поглощения ультразвука, определяется по формуле —

см

х — расстояние от излучателя до точки с интенсивностью 1с , см ;

е — основание натурального логарифма.

Решив, уравнение (7) получаем зависимость исходной интенсивности относительно (рис. 4, 5):

х — толщины обрабатываемого слоя; Ё — водоцементного отношения.

Рис. 4. Зависимость необходимой исходной интенсивности излучателя ультразвука от В/Ц при

различной толщине обрабатываемого слоя

г

м О

-I м Э СО

Рис. 5 Зависимость исходной интенсивности излучателя от толщины обрабатываемого

слоя водоцементной суспензии при различных Ё

Ц

Анализируя графики на рис. 4 и 5 видно, что исходная интенсивность сильно возрастает при ц < 0,5 . Однако, следует отметить, что исходная интенсивность распределяется по поверхности излучателя неравномерно, что отмечено в работах [6]. Поэтому, если ставить задачу получения средней интенсивности излучателя в экспериментальной установке I = 3 то исходная интенсивность

* т т Вт т Л см2

в центре будет 10 = 7 —-, а у самого края излучателя 10 = 0.

Одним из перспективных способов активации цемента является метод виxpевoй гидpoкавитa-ции, при применении которого сухой портландцемент М500 или М400, прошедший активацион-ную обработку, приобретает улучшенные характеристики. Продажа оптом цемента М500 и М400, дополнительно активированного методом вихревой активации, более рентабельна. Кавитационная активация цемента с применением активационного оборудования представляет собой новую и прогрессивную технологию в строительной индустрии.

По разработкам В.В. Зырьянова в России построены единичные экземпляры электромассклассифи-катор (ЭМК) магнитные реакторы-диспергаторы с вихревым слоем ферромагнитных частиц (АВС-100, АВС-150). Они работают с использованием переменного электромагнитного поля или на постоянных магнитах и используются для активации цемента и наполнителей, дезинтеграторы мокрого помола.

И

М

С и

§ пз

13 *

3 о

т

5 т

о 5

= 1

0 го

V ей

1 0

ш 2

^ *

< о

I?8

2 ¡2 = §

I *

:ш га

и 2

4 3

< X

ИЗМЕЛЬЧЕНИЕ И АКТИВАЦИЯ МАТЕРИАЛОВ

Общий вид пассивного гидродинамического диспергатора

сужение «анолн II— М11Н1Ц1

делитель I

потока ( обтекатели

частицы пуэырь*и «аеитаиионны*

пузырьков

Рис.6 Аппарат гидродинамического диспергатора

Технология активации цемента c модуляцией потока способствует улучшению физико-механических характеристик бетона либо к существенной экономии цемента про изготовление бетона c теми же свойствами в сравнении c цементом, не прошедшего активационную обработку, что позволяет купить портландцемент в меньших объёмах для приготовления заданного объема бетона. На крупных предприятиях, специализирующихся на производстве бетона, экономия составит многие тоны и кубы цемента. Получение нaнoдиcпеpсной смеси позволяет повысить эксплуатационные показатели материалов и изделий, изготавливаемых из цемента, прошедшего обработку, на 15-20 процентов.

Особенностью применения активационного оборудования с пульсирующей модуляцией потока для активации портландцемента является снижение энергозатраты на технологический процесс нaноизмельчeния. Оборудование позволяет получать строительные материалы самого широкого спектра- суспензии и эмульсии различного назначения, мастики, пасты, в том числе пигментные, известковое тесто и молоко, многокомпонентные покрасочные составы, активированные водные суспензии цемента АВСЦ и многое другое.

Экспериментальные исследования показали, что непродолжительная обработка цемента на акти-вационном оборудовании с пульсирующей модуляцией потока перед приготовлением бетона, раствора, пенобетона и других составов, содержащих цемент М500 производства «Себряковцемент», позволяет снизить до тpex раз срок затвердевания бетона в нормальных условиях, а также снизить на 30-35% продолжительность термообработки изделий, изготовленных из активированного цемента, снизить на 25% расход цемента или повысить марку бетона.

Заключение.

В настоящее время становиться актуальным применение активированного цемента в строительстве, что позволяет повысить пластичность раствора и бетона. Использование активированного цемента в композитах, содержащих цемент, обеспечивает высокие физико-технические показатели таких изделий, как цементно-стружечная плита, фибр бетон, стеновые блоки. При этом в композитах могут использоваться как минеральные, так и органические наполнители.

Применение активационного оборудования для получения известкового теста и молока позволяет значительно уменьшить продолжительность его изготовления, а также повысить стабильность суспензии и физико-технические показатели известковых композитов.

Одним из перспективных направлений развития капитального строительства и улучшения качества выпускаемой продукции является интенсификация технологических процессов. Все большее место в технологии производства строительных материалов и изделий занимает активация цемента. Одним из методов значительного ускорения реакционных процессов и процессов обработки является применение упругих колебаний ультразвукового (в режиме кавитации) диапазона частот (> 20000 колебаний в секунду).

Известно, что одним из основных путей повышения прочности цементного камня и, соответственно, бетона является: повышение удельной поверхности цемента (до определенного предела); оптимизация гранулометрического состава.

Необходимо отметить, что цемент является наиболее дорогостоящей частью бетона и его качество предопределяет, в частности, качество бетона, как материала и, изготовленной из него конструкции в целом. Поэтому требования к качеству цемента всегда оставались очень высокими.

ЛИТЕРАТУРА

1. Сиников В.М. Движение кавитационных каверн в гидродинамических полях: Диссертация к.ф.-м. н./Сам. гос. ун-т. — Самара, 2001. — 19 с.

2. Цыбускина И.И., Диженин В.В., Викарчук А.А. Кавитационно-тепловая обоаботка жидкостей как эффективный метод защиты их от биопоражения. ТГУ. Известия Самарского научного центра Россиийсской академии наук, т.12, № 1(9), 2010

3. Промтов М.А. Перспективы применения кавитационных технологий для интенсификации химико-технологических процессов /М.А. Промтов// вестник ТГТУ -Тамбов, 2008.- выпуск № 4, том 14. с.861-869

4. Витенько Т.Н. Массообмен при растворении твердых тел с использованием гидродинамических кавитационных устройств/ Т.Н. Витенько, Я.М.Гумницкий// Теор.основы хим.технологии. — 2006. — Т.40, № 6. — С. 639-644.

5. Исследования по развитой кавитации: Сб. науч. статей./ Под ред. чл.-кор. АН СССР С. С. Кутателадзе и д-ра техн. наук Г. С. Мигиренко ; АН СССР. Сиб. отд-ние. Ин-т теплофизики. — Новосибирск: Ин-т теплофизики СО АН СССР, 1976. — 144 с.

6. Зубрилов С.П. Физико-химические аспекты ультразвуковой активации вяжущих материалов. Докторская диссертация. Ленинград. 1975.

7. Викулина В.Б., Пещеркина С.Ю. Влияние ультразвуковой кавитации на динамическую вязкость водной среды. — Системные технологии. — 2018. — № 26. — С.139 — 142.

8. Винник В.Г. Исследование и разработка гидроакустических методов активации цемента. Канд. диссертации. М.:, 1969.

9. Лукьянченко М.А., к.т.н., доцент, Прудко О.В. Особенности ультразвуковой кавитации в цементсодержа-щих системах: Сб. науч.трудов /Актуальные проблемы архитектуры, строительства и энергосбережения. — Симферополь: НАПКС, 2012. — выпуск № 4.

10. Капустин А.П. Экспериментальные исследования процессов кристаллизации под воздействием ультразвука. Диссертация на соискание звания доктора техн. наук. М. 1952.

Просьба ссылаться на эту статью следующим образом:

А.В. Сёма, А.П. Бондаренко. Производство строительных материалов с использованием эффекта кавитации для активации цементных вяжущих веществ. — Системные технологии. — 2021. — № 38. — С. 102—109.

PRODUCTION OF BUILDING MATERIALS USING THE CAVITATION EFFECT TO ACTIVATE CEMENT BINDERS

A.V. Syoma, A.P. Bondarenko

Ryazan Institute (branch) of the Moscow Polytechnic University

Abstract.

The purpose of the intensification of technological processes is to increase the productivity of technological equipment and the level of automatic control, improve the quality offinished products, reduce material and energy costs. The article considers the phenomenon of cavitation, which has a positive effect on the characteristics of the finished product. Methods of cement activation by cavitation are presented.

Key words.

cavitation, intensification, concrete, cement, activation equipment. Date of receipt in edition: 02.02.21 Date o f acceptance for printing: 06.02.21

z

H Û -I H

D

CÛ

I j

<U H

s о a н

и

о

U H

и 4

s s J

га н s u

ra ¡e

ra

_ <u

S"9 S £ o z

s i ^ i О га ^ u ï ° £ 2 ъ *

< о

ч c

s *

■ s = g

< ra , s

«i a

§ IS

:Ш га

и z

® 3

< Î