автореферат диссертации по строительству, 05.23.08, диссертация на тему:Плазменная обработка гранулированного глинистого грунта при производстве керамического материала для строительства основания дорожных одежд автомобильных дорог

р г Ь ид

комитет Российской Федерации по высшему

образованию

Томская государственная архитектурно-строительная академия

ПЛАЗМЕННАЯ ОБРАБОТКА ГРАНУЛИРОВАННОГО ГЛИНИСТОГО ГРУНТА ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ КЕРАМИЧЕСКОГО МАТЕРИАЛА ДЛЯ СТРОИТЕЛЬСТВА ОСНОВАНИЯ ДОРОДНЫХ ОДЕЖД АВТОМОБИЛЬНЫХ ДОРОГ

Специальность 05:23.08 - Технология и организация промышленности и гражданского строительства

На правах рукописи

ЕФИМЕНКО ВЛАДИМИР НИКОЛАЕВИЧ

УДК 691.42: 533. 9... 15: 625. 731( 043)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени доктора техйичесгапс наук

Томск 1994

- г -

Работа выполнена в Томской государственной архитектурно-строительной академии

Официальные оппоненты - заведующий кафедрой "Инженерная

геология и геотехника" ЫАДИ (ТУ) доктор технических наук, профессор Э. 11 Добров

- директор Ленинградского филиала СоюздорНИИ, доктор технических'

наук, профессор 1й Ы. Васильев

- заведующий лабораторией Ионизованного, газа Института теплофизики СО РАН, доктор технических наук,

профессор А. С. Аньшаков

Ведущая организация - НПО РосдорНИИ

Защита состоится '"/6 '^¿/¿яХ*? 199 У г. . в часов

на заседании специализированного Совета . Л 064.41. 01 в научно-исследовательском институте строительных материалов при Томской государственной архитектурно-строительной академии по адресу: 634003, г.Томск, пл. Соляная 2, б ауд. 307/5. Телефон для справок 78-26-40.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Томской государственной архитектурно-строительной* академии. Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные гербовой печатью, • просим направлять на имя учёного секретаря специализированного Совета.

Автореферат разослан " 199 г г.

Учёный секретарь

специализированного Совета ^ /

канд. техн. наук а Н. Скрипникова

- з -

ОБИАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Темпы строительства автомобильных дорог, [ромышленных и гражданских сооружений во многих регионах Россиг ( значительной мере сдерживаются отсутствием месторождений камеи-пи материалов. Одним из путей решения отмеченной проблемы являйся применение в дородных и строительных конструкциях зернистых крамических материалов, получаемых термообработкой широко распро-:транённых глинистых грунтов. Однако традиционные способы индуст-зиального производства искусственных неорганических заполнителей, {апример, керамзита и аглопорита, предполагают применение металлоемкого, крупногабаритного оборудования для обжига сырья и дислокацию заводов и цехов лишь в районах сосредоточенного строительства.

Перспективы обеспечения мобильности, снижения капитальных затрат производства, требований к составу и свойствам сырья может эткрыть получение зернистого искусственного материала на основе использования тепловой энергии низкотемпературной плазмы при обра-5отке местных глинистых грунтов. Применение его в дорожных конструкциях позволяет расширить сырьевую базу, обеспечить экологическую безопасность производства и интенсифицировать строительство в районах, имеюпдах недостаточно развитую сеть транспортных' сооружений, характеризующихся разбросанностью и удалённостью от поставщиков и потребителей производственных баз, при отсутствии месторождений каменных материалов, например, в Западной Сибири.

Работа выполнялась в соответствии с планами НИР Российского государственного концерна по проектированию, строительству, реконструкции, ремонту и содержанию автомобильных дорог, Федерального дорожного департамента Минтранса России и тематическими планами Томской государственной архитектурно-строительной академии. Научное обеспечение исследований было получено при выполнении межвузовских научно-технических программ "Строительство" (теш 7.8 -1991, 92,93 гг. .утвержд. ГКНВШ РСФСР, приказ N 252 от 27.03.91 г.), "Оптимизация использования природных, производственных и интеллектуальных ресурсов Томской области в интересах населения и народного хозяйства" (тема 7.8.1-41 - 1993,94 гг. .утвержд. ГК РФ по ВО, приказ N 73 от 23.04.93 г.), "Архитектура и строительство" (тема 9. 4. 5.1 - 1994 г., утвержд. ГК РФ по ВО) и работ по гранту фундаментальных исследований в области архитектуры и строительных наук (утвержд. приказом N 5 от 30.04.94 по ГК РФ по ВО), полученному на

конкурсной основе.

Основная идея, положенная . в основу работы над длссертацие состоит в развитии направления плазменной технологии в облас скоростной обработки гранулированных глинистых грунтов для получ ния искусственного каменного материала, в-отличие от разработаны идей плазменного термоукрепления грунтоЕ в скважинах или наплавл нием и обеспечения им транспортного, промышленного и гражданско строительства в условиях отсутствия месторождений горных поро что характерно для большинства районов Западной Сибири.

Цель работа, заключалась в разработке основ электроплазменн технологии получения зернистого искусственного материала из мес ных глинистых.грунтов для дорогого строительства. Для достижек этой цели были поставлены следующие основные задачи:

- разработать обобщённую модель процесса получения керамиче кого материала по технологической схеме, включающей скоростную £ сокотемпературную обработку . гранулированного глинистого сырья г помощи электроплазменных устройств;

- получить динамику распределения температурных полей по I диусу гранулы керамического материала, находящейся в высокотем ратурной среде рабочего газа, генерируемого электродуговым плаз> троном, а также при её охлаждении;

- установить режимные параметры плазменной обработки сыр] обеспечивающие производство зернистого искусственного заполните, качество которого соответствует требованиям к дорожно-строителы материалам по критериям дренирующей способности, морозостойкост: прочности;

- установить механизм фазовых и структурных превращений, пр исходящих в глинистом грунте при плазменной обработке гранул;

- выявить особенности применения в дорожном строительс зернистого керамического материала, получаемого по технолог предусматривающей плазменную обработку местных глинистых грунт и установить требования к сырью для его получения.

Научная новизна работы состоит в следующем;

- разработаны основы технологии получения искусственного а нистого материала иа'глинистых грунтов с использованием устройс генерирующих низкотемпературную плазму; '

- установлено, что форсированная в-течение нескольких сег обработка глинистого сырья, в виде сферических гранул, разме

5. ..15 юл, в газовой среде, имеющей температуру 3000. ..5000 С, обеспечивает формирование состава и потребительских свойств искусственного зернистого заполнителя, соответствующих требованиям действующих норм к материалам для дородного строительства, за счет фазовых и структурных превращений, происходящих при интенсивном тепловом воздействии на гранулированный грунт;

- разработаны теплотехническая и физико-химическая модели поведения гранулы глинистого грунта в условиях температурного поля плазмы, с учётом которых обоснована схема формирования зонной структуры продукта плазменной обработки;

- установлен механизм фазовых и структурных превращений, происходящих в гранулированном глинистом грунте в неравновесных условиях воздействия плазмы, обусловливающий формирование в пределах физического объёма гранулы искусственного материала трёх основных зон с характерными минеральным составом и .микроструктурой;

- определены области и > особенности применения в дорожном строительстве зернистого керамического материала, а также состав и свойства глинистого сырья для плазменной технологии его получения.

Автор защищает совокупность положений, экспериментально установленных закономерностей и теоретических обобщений, позволившую разработать основы технологии получения искусственного материала из глинистого сырья, обрабатываемого низкотемпературной плазмой, который пригоден для строительства оснований дорожных одеад, что можно характеризовать, как одно из направлений электроплазменных технологий.

Практическая ценность работы состоит в решении проблемы мате-риалообеспечения дорожного строитедаства в районах, характеризующихся отсутствием месторождений каменных материалов и крайне низ-' кой плотностью существующей сети автомобильных дорог,, эксплуатация которых осложнена неблагопрятными грунтово-гидрологическими и климатическими условиями, например, на территории Западной Сибири. С этой целью разработаны осноеы плазменной технологии зернистого искусственного материала; установлены допустимые состав и свойства глинистого сырья, обработка которого при выявленных технологических режимах, обеспечивает требуемый уровень качества готового продукта; " обоснованы области и особенности применения нового керамического заполнителя при строительстве и реконструкции автомобильных дорог.

Ивтоюмогяя работы основана на общепринятых теоретических по-

ложениях в областях дорожных грунтоведения и материаловеденк разработанных коллективами научных работников под руководств профессоров Б. Ф. Бабкова, В. Ы. Безрука, А. К. Бируля, Г. Д. Дубелир Е А. Земятченекого, Е Е Иванова, К а Охотина, А. Я Тулаева, .Ы. Я <1 латова и др., а тага® в направлении производства изделий стро тельной керамики и огнеупороЕ. При исследовании процесса плазме ной обработки гранул глинистых грунтов^ использованы теоретическ основы в области техники и теплофизики, разработанные научной шк лой проф. 11Ф. Жукова в СО АН РАН, а также специалистами институ тепло-к массообмена им. А. Б. Лыкова АН Беларуси и др. Для исслед вания состава.и свойств грунтов при различной интенсивности тепловой обработки применялись современные приборы и оборудован кафедр Томской государственной архитектурно-строительной академи "Инженерная геология и охрана геол' гической среды" Косковско: государственного университета, лабораторий "Теплофизическ свойств веществ" КТ£> СО РАН, "Химического анализа воды" Институ проблем шлщно-коммунального хозяйства в районах Севера, Сибири Дальнего Востока.

Достоверность основных пояох&вий, выводов и рекомендаций г < рантирована необходимым объёмом статистики, применением соЕреме! ных методов расчета и лабораторного оборудования, обеспечивай® достаточный урогень надёжности результатов математического модел; рования и измерений физических величин. . Данные о потребительега свойствах нового искусственного зернистого материала я сэответс: вие их требованиям действующих нормативных документов лодтвержде! внешней экспертизой Кузбасского центра дорокных исследований.

Реализация результатов исследований осуществлена решенж Федерального дорожного .департамента Минтранса России о создан! опытно-промышленной установки для производства обработанного плаг мой зернистого материала (догоеор N 260 от 01.07.1992 г.). 1£>иве дйнные в диссертации данные включены разделами в лекционные курс! "Технология и организация строительства автомобильных и го роде к; дорог", "Эксплуатация автомобильных дорог", "Строительные матер:к лы" учебного плана специальности 29.10 "строительство автомобиле ных дорог и аэродромов" всех форм обучения студентов Томской гос^ дарственной архитектурно-строительной академии.

Апробация работы. Материалы диссертации были доложены обсуждены на конференциях, семинарах и совещаниях, организаторш, которых были:. СоюздорНИИ Жнистерства транспортного строительсть

У11 Всесоюзное совещание дорожников "Ускорение научно-технического прогресса, повышение производительности труда и качества дорож-шх работ", г.Москва, 1981г.); Владимирский политехнический инсти-■ут (1984, 1985, 1990, 1931, 1994гг.); Архангельский ЛГИ 1988 г.); Государственный концерн по проектированию, строительст-1у, реконструкции, ремонту и содержанию автомобильных дорог " Рос-штодор" (26.02.1991 г.); ПРСО Томскавтодор (1391 г.); ПРСО "Ново-¡ибирскавтодор" (1991 г.); Московский государственный автомобиль-ю-дорожный институт ТУ (1992, 1993, 1994 ГГ.); СибАДИ (Всероссий-:кзя международная научно-техническая конференция, 1994 г.); С-Петербургский архитектурно-строительный университет ( Международный симпозиум "Реконструкция- - Санкт-Петербург £005",. 1994 г.); Новосибирская государственная академия строительства (1994 г.).

Структура и объём работ Диссертация состоит из введения, мти разделов, общих выеодов, списка литературы и десяти приложений. Результаты исследований представлены на 290 страницах основного текста, включающего 47 рисут.лэв, 30 таблиц, библиографию из 101 наименования. Объем приложений составляет 86 страниц.

ОСНОВНОЕ С0ДЕР1ШШ РАБОТЫ

Первый раздел диссертации посЕЯЩён рассмотрению состояния вопроса и постановке задач исследований. В нём приведён анализ условий строительства и эксплуатации автомобильных дорог при избыточном увлажнении и глубоком сезонном промерзании грунтов на примере территории Западной Сибири. Отмечается, что широкое распространение глинистых (сеязных) грунтов, их избыточное увлажнение при недостатке тепла., приводят к интенсивным процессам пучинообразова-ния, развитию деформаций и преждевременному разрушению дорожных одежд. Так, величина поднятия покрытий дорожных одежд в результате пучения грунтов, дахе на участках первого типа местности по увлажнению, могат в два с лишним раза превышать регламентированное нормами значение. • Отмеченные обстоятельства предопределяют необходимость значительных капитальных вложений в ремонт и реконструкцию эксплуатируемых автомобильных дорог.

Удаление свободной воды из рабочего слоя земляного полотна автомобильных дорог многих районов Западной Сибири осуществляют при помощи дренирующих слоев, устраиваемых из природных зернистых материалов, преимущественно гравийных. Отсутствие промышленных за-

пасов гравийно-песчаных и песчаных пород, их высокая стоимость экологические потери, связанные с разработкой небольших по обт ископаемого сырья месторождений, требуют поиска и разработки но искусственных материалов, применение которых в строительстве с собствовало бы решении указанной проблемы.

Анализ существующих методов регулирования водно-теплового жима земляного полотна и дорожных одежд показывает, что рас •природных зернистых материалов при сооружении автомобильных до можно снизить за счёт устройства геотекстильных и теплоизоляци ных слоев. Тем не менее, полный отказ от применения дефицит горных пород в слоях оснований дорожных одежд в этом случае воз жен только при условии применения искусственных.зернистых матер лов, обеспечивающее достаточную скорость фильтрации, влаги и им щих требуемые прочность и морозоустойчивость.

Лругой путь снижения стоимости и ускорения темпов строите, ства автомобильных дорог в неблагоприятных грунтово-гидрологич' них и климатических условиях, при существующем дефиците местор< дений инертных строительных материалов - применение в, дорок конструкциях местных глинистых грунтсЕ, свойства которых иск; ственно улучшены. Б этой связи в работе приведён краткий ана. методов технической мелиорации связных грунтов, выделенных в coi ветствии с существующей классификацией в группы - химических, < вино-химических и физико-механических. Отмечено, .что при стр< тельствэ автомобильных дорог в районах, • характеризуемых избыточ] увлажнением сезонно промерзающего земляного полотна, наиболее ш спектиЕны химические методы укрепления. Однако нормы и прав! проектирования вновь строявдзхся и реконструируемых автомобилы дорог ограничивают применение грунтоЕ, укреплённых химическими i тодами, верхними слоям:! оснований конструкций дорожных одезд -второй дорожно-климатической зоне (ДКЗ) при Есех схемах увлаше) земляного полотна, а в Ш ДКЗ - при 2 и 3 схемах.увлажнения рабо' го слоя. Для применения в нижних слоях оснований укреплённые гр: ты должны обладать дренирующей способностью характеризуемой - нор! рованной величиной коэффициента фильтрации (не < 1,0 м/сут). Тш требованиям могут отвечать искусственные каменные материалы, по: чаемые в виде гранул или щебня, методами физического воздейстз теплового поля на укрепляемый грунт. '

В отличие от других методов, термическое укрепление глинист грунтов, осуществляемое на месте строительства или индустриалы

пособом в стационарных или полустационарных условиях (см., рис. 1), ¡беспечивает коренное изменение их сеойств, включая химические, мзико-химические и физяко-механические, за счёт трансформирования ¡остава и полного освобождения от всех видов воды. Основными пре-штствиями в практическом решении Еопросов термического укрепления яюгими из существующих способов являются большая теплоемкость и шзкая теплопроводность грунта Для преодоления отмеченной особенности глинистых грунтов требуется длительная термическая обработка сырья, что связано со значительными затратами тепловой энергии. Это в определённой мере препятствует применению существующих технологий непосредственно на месте строительства.

Далее в диссертации анализируются условия формирования потребительских свойств керамического материала при тепловой обработке глинистого сырья за счёт физико-химических реакций, сформулированные в работах крупнейших русских учёных - ЕЙ. Вернадского, Д. С. Бе-лянкина, II П. Будникова и др., , а также специалистами ВНИИстрома, НйИкерамзита, Гипрострома, ВНИКФа и многих других организаций..Отмечено, что основные процессы, сопровождающие тепловую обработку глинистого сырья, включают: дегидратацию частиц и минералов; агрегацию частиц; размягчение дисперсной части, приводящее к спеканию и преобразованию структуры грунта; диссоциацию карбонатов и частичное разрушение алюмосиликатов с образованием аморфного кремнезёма, что способствует выделению кальциевых силикатов и алюмосиликатов; плавление и кристаллизацию. Учитывая температуру нагрева глинистого' сырья, перечисленные процессы сгруппированы по стадиям термической обработки грунтов, классифицируемым в технической мелиорации как прогрев, обжиг и клинкерный обжиг.

Разработки последних десятилетий в области индустриального производства изделий строительной керамики" позволяют существенно расширить представления о связи физико-химических процессов, сопровождающих термообработку глинистого сырья при различных режимах обжига, с формированием свойств готового продукта. Промышленность строительных материалов располагает сегодня значительной базой индустриального производства керамических изделий, выпускаемых в виде гранул или щебня на основе глинистых или песчано-глинистых пород. Часть этого потенциала можно использовать для удовлетворения потребности в каменных дорожно-строительных материалах, что подтверждено результатами работ специалистов дорожных НИИ и ВУЗов.

Однако действующие производства пористых керамических матери-

-} Глубинное (в скважинах)

Скиганием топливе (жидкого, газообразного, твёрдого)

Спеканием тонкодисперсных грунтовых смесей в стволах скважин

Преобразование« электрической энергии в тепловую

•I В теле скважины

устье сквэкикн

На поверхности

' ПУТ^КИКН......-

¡1 НЭКЛОаНЫЬ"

I горизонтааь-I ныв

подогрев порошко оорззного гшнта при покощи 5д плазмотронов

ит8ционзркые или передвижйые установки для подогрева газа

Генерирование горячего газа злек тродуговыми подогревателями

Электроды

Поверхностное

Временные напольные печи(Фила тор М.М.,Купреянов К,Н.,1927)

1эны •

Грунт с не на рушен ной структурой

Коцбза,£}.р?4:ганив топлива ¿^.¿скдЧ-э и д;

^¿Ь'.-гОлектрог.ле рдение (-Н.Ь.Еуров, 1933)

хзЕикз.Снкгание нефи

„-линз.Тепловая обработка гранулирован; грунта {Франция. 1962

л г лоне рационные машины (производство

в г лог - ГИТЭ 1_|

;вух- и однобасаСан-ше печи (преизвсдст-зо керамзита.кэрзмдо-Ра) _

иокиговые печи (про-:ззодство клинкера)

I I

к со а?

(Г< Г-»

м о

го ВС

^ к <» и (X Я) О О ет о 3 я к с: X 53 с

О аз 03 еч и л О о

аз С з к: к к« о, га о к с- а

я (О со

а к о око

я

Е-^С ос^ ос

й>

а

Е-1

о н

-

К

С4 к о

со со к

ИТОГО--

I

со о,

БЧ

о

(Ч

с

млс\

Ум ш »о

Э СО

оо а а и а; «*.р о

Кгл « «

ин*э аз -о Я.« о ого сз кз

О

I

-*

Нзплавлеяив грунта {

.Сяазыенкйа (злектро-яуадша) раэкторы ^'{производство кера-

-Нлэзыенныв НЧ уста; новки (пр-во кирпича

Передвижная установ ка.Распдавление в печи порошкообразной смеси угля с грунтом и укладка его в покрытие,1949.

4

алов предусматривают применение крупногабаритного, металлоёмкого эборудования. Это предопределяет размещение заводов и цехов в районах сосредоточенного строительства, отличающихся наличием значительного количества потребителей. При линейном строительстве автомобильных дорог во вновь осваиваемых районах, где отсутствует развитая' транспортная сеть, такие производства малоприемлемы. Кроме того, основное технологическое звено производства искусственных каменных материалов - промышленные печи, отличается исключительно большими потенциальными возможностями для экономии топлива и охраны окрукающэй среды..

Среди концепций, предусматривающих обеспечение эффективности и устранение приведённых недостатков в технологии производства зернистых керамических материалов, по мнению ряда специалистов может превалировать создание теплотехнических систем, формируемых на новой энергетической основе и предполагающих использование эффективных источников энергии или ,их сочетание. В настоящее время во многих отраслях промышленности внимание исследователей привлекает перспектива применения в качестве источников тепловой энергии электроплазменных устройств.

К преимуществам плазменного нагрева материалов можно отнести: возможности достижения высоких температур газовой среды и использования любой газовой атмосферы; высокий термический коэффициент полезного действия источников плазмы; небольшой объём отходящих газов; малые габариты электроплазменного реактора. Применение генераторов низкотемпературной плазмы в технологии приготовления зернистых керамических материалов может способствовать миниатюризации производства, обеспечения его мобильности, расширения диапазона используемых в качестве сырья глинистых грунтов, включая местные, по минералогическому и- химическому составам не удовлетворяющие требованиям существующих производств, что в целом соответствует специфике организации дорожно-строительных работ.

Вопросам интенсификации процессов получения керамических материалов за счёт высоких температур и скорости обжига глинистого сырья были посвящены работы Г. И. Книг иной, Г. Е Куколе ва, 0. П. Мчед-лов-Петросяна, С. Е Онацкого, а Ф. Павлова, Е П. Торопова и др. Результаты их исследований показывают, что потребительские свойства продукта теплового воздействия в значительной мере зависят от технологических факторов, например, температуры и длительности обработки керамической массы. В этих условиях, представлялись важными

исследования, направленные на установление pessasux параме-тро. плазменной обработки сырья определённого состава, обеспечившшди: получение искусственного материала, пригодного по своим свойства; для применения в строительстве.

Выполненный анализ позволяет предположить, что проблему мате-риалаобеспечения дороглаго строительства, например, в районах Западной Сибири, козшо б определённой ¡¿эре решить за счёт полученш -искусственного материала теплэЕой обработкой гранулированного глинистого сырья в электроплазкенных устройства}:, что нашло отражение в сформулированных автором цели н задачах исследований.

Второй раздал диссертации посвясён рассмотрению теоретические основ и практическое моделированию процесса теплопереноса в системе "газ-гранула глинистого грунта" .: связан с определением значений технологических параметров, влияющих на изменение состава и свойств термически укрепляемого глинистого сырья. Эти параметры включают - - размер обрабатываемых плазмой гранул, температуру газо-еой среды, время пребывания гранул сьрца в высокотемпературной газовой среде и условия их охлаждения.

1Ьделирование процесса термоукрепления гранул грунта, подразумевающее конвективный теплообмен, выполнено'численным методом, идеология которого изложена в работах В. К. Седова, О. П. Солоненко и А. П. Зиновьева ~{ЙТФ СО РАН) применительно к исследованию процессов нагрева тонко-и ультрадисперсных порошков.

Тепловое состояние какрообъегсга --сферической гранулы грунта, переыещаюцэйся в объёме злектроплазмэккого реактора навстречу высокотемпературному потоку газа в текущей момент времени, найдено при решении системы уравнений с соответствующими начальными и граничными условиями:

dUp/d Г = {bfij/ЬЯр • Sp)• £x\lLj-Up-Ир); (1> Sp-Cp( д-Гр/д?) = (/¿/r?aryrz- хР (£) Sb- ; (2)

8Т_

дг

г* о

■ вТр

~<L{J}-Tp) , (3)

Г* Яр

где ¿'у- коэффициент сопротивления сферы;_/? , С ~ плотность, теплоёмкость и теплопроводность грунта; оС - коэффициент теплоотдачи; -площадь поперечного сечения гранулы грунта; индексы "Г' и "р" от-

носятся к газовой среде и обрабатываемой грануле, соответственно.

При моделировании рассмотрена возможность высокотемпературной

-з - з -з

обработки гранул глинистого грунта размерами 5-10 , 10-10 , 15-10

-з

и 20-10 м. Необходимые теплсфизические параметры грунта установлены с учётом его теплопроводности. Температурная зависимость коэффициента теплопроводности в интервале от 20 С до 1200 С установлена экспериментально и аппроксимирована з виде полинома второй степени:

0,692 -8,0б-10*(Т-50) + б,69-10?(Г-50) . (4)

В качестве критерия окончания теплового воздействия на обрабатываемый материал принята температура центральной точки сферы (г = О), равная 900°С. При этой температуре в глинистом сырье наблюдается необратимые изменения состава и свойств, .что подтверждают результаты ранее выполненных работ.

Как следует из таблицы 1 и рис. 2, прогрев частиц грунта протекает наиболее интенсивно при генерировании рабочего газа плазмотроном, имеющим тепловую мощность 69 кВт. При |том, если продолжительность тепловой обработки частицу В =5-10 м составляет 0,8 с, то с увеличением её диаметра в два раза, время термоукреплення гранулы из связного грунта возрастает до 2,58 с. Отметим, что при применении плазмотрона, обеспечивающего температуру рабочего газа на срезе сопла 3000 °С, продолжительность тепловой обработки гранулы 0 = 5-10 м равна 1,3 с, а при увеличении диаметра макрообгек-- з

та до Б = 20-10 м, прогрев заканчивается только через 14 с после веодэ его в высокотемпературную газовую сре^г. Очевидно, что обработка гранул из глинистого грунта 0 = 20-10 м в рассматриваемых условиях - малоэффективна. Кроме того, применение плазмотронов с тепловой мощностью 15 кВт требует значительного времени пребывания обрабатываемых гранул в высокотемпературной газовой среде, что может привести к увеличению энергозатрат при термообработке глинистого сырья.

Представленные на рис. 3 данные позволяют проследить динамику прогрева гранул из грунта, введённых в высокотемпературную газовую среду. Процесс тепловой обработки сферических гранул можно условно разделить на два периода. Первый период характеризуется постоянной-температурой (Тц) центральной точки (г = О) ядра сферы. Ш мере увеличения .температуры поверхности гранулы (Тп), значение отношения Тц/Тп снижается до 0,17...0,07. 1Ь.истечении 1,0...1.2 с (в зависимости от тепловой мощности плазмотрона и размера укрепляемой

Таблица 1

Бараштры потока газа на выходе из элэктродутового подогревателя

!еглерг:тура воздуха на с£сзе сопло ЗдП ос ЭЛТЗЯЬПИЯ, д.*/кг Плошоогь кг/м3 С ре дне массовая око-рос и нэ срезе соп-яэ ЭЛЛ,м/с Тепловэя мощность ЭДН, кВт.

¿ОиО г,гъ 0,177 ■100,0 15

3000 4,069 0,115 152,6 27

4000 7,66? 0,077 228,7 51

50Ш 10,246 0,058 301 ,.6 69

о з,о ?,що

/хзхИцусе; ¿/¡г/нте,

¿/х/геяд&е&ои € кегиеад

Рис. 2. Продолжительность тепловой обработки частиц глинистого грунта в зависимости от их раашра и температуры рабочего газа

P Is

Si

5

Ъ/т. Ц,4

o,ss Ljj^S

ГС*

m*'os

III 1. Температура газового потока на спезе сопла пдаэмо -трона: - 3000°С; ® - Т2 • 4000°с;

- ,

Ч - 5000 °с-

'r'Str*

5«Д 5 т

• ~ и*

T't-S • —

СЛ (

a,S 1,0 t,S S,0 2,5 \0 3,5 4,a *,S S,0 t'V ¿м^мугвлмл*«!»« *p»&tSa*ua ««M14« t/tjfMmei о 4ысвяож0мл*/>аггщр/1ом лото** юла t С

Рис. 3. Динамика прогрева частицы грунта О =» 10 мм в срэде рабочего газа с температурой на срезе сопла плазмотрона 3000... 5000*0

частицы грунта) фиксируется рост температуры в центральной точке ядра сферы. При этом начинается второй период прогрева гранулы, продолжительность которого составляет около 3,0 с. При отношении Тц/Тп, достигающем значений 0,3. ..0,5, центральная часть сферы прогревается до температуры 900 ° С. Основываясь на результатах расчёта, сделан вывод о возможности сокращения времени пребывания гранул грунта в высокотемпературной газовой среде за счёт включе--ния в злектроплазменную технологи» производства зернистого керамического заполнителя операции по замедленному его охлаждению в течение времени, необходимого для выравнивания значений температур на поверхности и в центре гранулы. Замедленное охлаждение гранулированного керамического материала обеспечивает, окончание глубоких фазовых превращений в нём за счёт тепловой анергии, полученной на стадии высокотемпературной обработки и протекает без дополнительного расхода электрической энергий.

Далее в диссертации рассмотрены результаты моделирования теп-лопереноса в грануле грунта в период интенсивного теплового воздействия высокотемпературной газовой среды, а также на этапе теплового последействия, в период замедленного охлаждений материала. Математическая постановка данной задачи включает в себя уравнение теплопроводности, записанное в сферической системе координат:

г? у

J>r ■CrTn-d-Tm/at ■ ; (5)

с граничными условиями: д Тхг

- П ■ 31711

— О 7 Л™

г "О

г.7

дг

Первый член уравнения (5) характеризует тепловой поток, идущий на нагревание гранулы керамического сырья, Еторой член - тепловой поток внутри гранулы. Здесь параметр^ удельный тепловой поток; индексы "г" и"т" соответствуют характеристикам газа и материала.

Представленные на рис. ■ 4 результаты расчётов свидетельствуют, что эффект тепловой обработки сферических гранул глинистого сырца можно достигнуть,.ограничив время их высокотемпературной обработки двумя-тремя секундами. При этом время, необходимое для выравнивания температуры на поверхности и в центральной части гранулы является функцией нескольких переменных, среди которых можно выделить её диаметр, температуру рабочего газа, продолжительность интенсивной тепловой обработки. Этап теплового последействия сеязэн с из-

Т-П-1-1-"1-

i - Гемература на /7&$е/ухксст и ' частицы грунта ; - Темлгрпкура _ центральной точки яфа частицы грунта. Д « /О- Л7 ~3 м

V

.."-О

А ^ 10 1/ У 1 * в

о&слечида'сщая лреофазо&гкия о груктд-

Р---II) I

■ I. .. Ш I I - I I I | --■ I.........I 1 1 ' ..... " "II ' ' " 1 1—.......4

О £ - * 4 ** ** «5

/р>о£ало*сите*ьяоа/тсА т*л/гооай аузааотли частицы -грунта, с

I

"Рис. 4.

Динамика прогрева гранулы глинистого грунта в течение 2.0 и 3,0 секунд в среде рабочего газа с температурой на срезе сопла плазмотрона 5000°С и её последующего охлаждения

- IS -

менениями минералогического-состава глинистой массы, формирование) структуры и физико-механических свойств готового продукта. Поэтом; продолжительность замедленного охлаждения керамического материал; соответствует интервалу времени от достижения гранулой максимальной температуры на поверхности до 800... 900°С в центре сферы и, как правило, превышает' время, необходимое для выравнивания, температуры по' вектору радиуса макрообъекта.

Нагрев гранулированного глинистого грунта при плазменной обработке протекает не только в условиях конвективного, но и за счёт радиационного переноса. Поэтому для практических расчетов нами был предложен численный метод моделирования радиадаонно-конЕектив&ого теплообмена в системе "газ-гранула глинистого грунта", позволяющий оценить радиальное распределение безразмерной температуры ¿? для безразмерных величин координаты ра-.иуса Ц - r/R и времени при аргументе Fo = аГ/г~. Результаты расчётов по'этому методу свидетельствуют о значительной (до 20%) роли лучистого теплообмена в совместном радиационно-конвективном воздействии на гранулы грунта Это позволяет считать, что плазменная обработка гранулированного глинистого грунта с учётом полученных в настоящем разделе рекимных параметров обеспечит получение керамического материала, состаЕ и свойства которого удовлетворяют требованиям к зернистым заполнителям для строительства дополнительных слоев дорожных одезд по прочности, морозостойкости и дренирующей способности. „

Третий раздел диссертации посвящен рассмотрению результатов исследования форшрования состава и свойств керамического материала в процессе термообработки, проверке результатов теоретического моделирования, а также изучению показателей, определявших eqsmdk-ность применения его в строительстве. Комплексное изучение характеристик образцов глинистого грунта включало определение "их химико-минералогического состава, физико-механических, водно-физических, теплофизических и других сеойств, соответствующих определённым стадиям теплоЕой обработки. Физическое моделирование процесса высокотемпературной обработки грунтов осуществлялось с применением лабораторных стендов, изготовленных на бззе серийно- выпускаемого плазменного генератора ПРВ 402-58, а также электропечи марки "Суол", которая обеспечивает нагрев материалов до 1250° С.

- В исследовании в основном были задействованы пробы суглинка среднего пылеватого, неоднородного по гранулометрическому составу

Хн =11,4). По химическому составу тонких фракций грунт характе-эн для районов Западной Сибири и пригоден для производства неко-зрьгх изделий строительной керамики, в частности, керамзита, эекольку соотношение основных .окислов в нём колеблется в грани-ах, рекомендованных И. А. Гердвнсом. Задействованное в исследовани-х глинистое сырьё полиминерально и представлено кремнезёмом 60,7%), плагиоклазом (15,4%), монтмориллонитом (14,5%), а также альцитом, хлоритом и микроклином, суммарная интенсивность дифрак-1Ионных отражений которых составляет примерно 3%. . Наряду с оскопивши дифракционными, отражениями в составе суглинка среднего пыле-¡атрго присутствуют рефлексы каолинита и гидрослюда Поскольку в ;оставе обменного комплекса^ глинистой части грунта превалируют 1вухвалентные катионы Са и ( в сумме в 5,2 раза больше, чем од-ювалентных ионов На), а группа анионов в основном представлена 5икарбонат-ионами НС03, а также сульфат-ионами 50^, при сравнительно низком содержании ионов хлора, исследуемый суглинок можно отнести к лучинистым грунтам (1пуч = 4... 7%), имеющем низкуя водопроницаемость СКф = 0,014 м/сут). Применение таких грунтов при строительстве автомобильных дорог требует специальных мероприятий по регулированию водно-теплового режима земляного полотна и оснований дорожных одежд.

На основе данных химического, рентгенофазового, дифференциально-термического анализа и электронной микроскопии установлено, что форсированный ввод тепла в обрабатываемое глинистое сырьё обеспечивает протекание глубоких фазовых превращений в основной массе керамического материала. Обработанные низкотемпературной плазмой гранулы отличаются от пористых неорганических заполнителей, получаемых по традиционным технологиям обжига, * например, ке--рамзита, зональным строением физического объёма

Результаты петрографического исследования зон гранулы керамического материала, выделенных по степени тепловой обработки, показывают, что область, подстилающая остеклованную сферическую оболочку, включает минералы, формирование которых происходит при температуре, выше 1500"с. Основной физический объём гранулы представлен минеральной частью, сформировавшейся при температуре, превышающей 900 вС. Смежные зоны гранулы керамического материала не имеют чётко выраженных границ. Как правило, между ними наблюдаются постепенные переходы, что благоприятно сказывается на прочностных свойствах продукта плазменной обработки глинистого сырья:

Фазовый анализ шкроэлектронограмм, полученных с кристаллов, минералов, свидетельствует, что для зон спекания е пределах объёма гранул характерно наличие высокотемпературных разновидностей кремнезёма, конечного члена изоморфного ряда пдагаклаза - анортита, а также волластонита. Известно, что при обычной тепловой обработке плагиоклаза его распад протекает медленно. Эффект скоростной трансформации кремнезёма и плагиоклаза со стремительным простом упорядоченных доменов при плазменной обработке глинистого сырья можно объяснить радиационно стимулированной диффузией в кристаллах атомов А1 и Бь Это, в свою очередь, способствует формированию дефектов кристаллических решёток. Высокая плотность дефектов в кристаллах минералов, составляющих глинистое рырьё, провоцирует интенсивное протекание твёрдофазовых реакций, обеспечивающих улучшение физико-механических свойств продукта термической обработки по сравнению с исходны?,1 грунтом, что подтверждено экспериментами.

На уровне оптической микроскопия микроструктура основной массы гранулы керамического материма объединена в замкнутые . области размером 2... 3 шы, которые входят в зерна, средний размер которых составляет 20...25 мкм. В сбою очередь, зёрна объединены в агрегаты, размером до 100 мкы. В соответствии, с существующим представлением о том, что атомы на границе зёрен имеют -ловывенную энергию по сравнению с атомами внутри зерна и, ■ соответственно, больщую реак- . иконную способность, а'также анализом шкроструктуру 'образцов, в диссертации сделан вывод о. положительном елнянии структуры, формирующейся при плазменной термообработке глинистого сырья, на улучшение прочностных свойств искусственного зернистого материала.

Далее в работе рассмотрены физико-хишчесгае процессы, сопровождающие плазменную обработку гранулированного сырца и определяющие формирование структуры и свойств керамического материала На стадии прогрева из полиминеральной- системы удаляется вначале физически, а с повышением температуры - химически связанная вода,, которая входит в структуру кристаллической решётки глинистых минералов. Примечательно, что термические эффекты, зафиксированные на деривативвой термогравиметрической кривой для образца суглинка среднего пылевагого, прогретого в потоке низкотемпературной плаз-' мы, по сравнению с данными, характеризующими суглинок до тепловой обработки, отличаются незначительной скоростью изменения веса и , смещением эффектов в сторону уменьшения температуры на 40... 90°С. Обезвоженные частицы грунта сближаются и соединяются в агрегаты,

то способствует значительному улучшению водно-физических и физи-:о-механических свойств глинистого сырья. Минеральная часть кера-шческого материала на этой стадии тепловой обработки представлена :ремнезёмом, плагиоклазом и их разновидностями, а также гидромус-соеитом, лолевьши ¡платами, волластонитом, хлоритом, амфиболом, гарбонатом.

Рентгеновским анализом проб суглинка, обработанных низкотем-' [ературной плазмой до стадии обжига, зафиксированы модификащш ;ю3с концентрацией дифракционных отражений около 73%, плагиоклаз, ¡меюздй концентрацию отражений 18,9% и минералы группы полевых ¡патов. Кривая ДТГ характеризует исследуемый материал низкой ско-остью изменения веса и имеет плавное очертание без тепловых эффэ-:тов. Высокая температура обработки суглинка, соответствующая ста-;ии обжига обусловливает спекание минералов с относительно низкой емпературой плавления, например, слюд.

В составе минералов керамического ызтеркала, прогретого до тадия 1ип!нкерного сбютз, выявлены модификации 5Юо (77%) и пла-■коклаза (22%). Тепловые эффекты и потери в весе на дериватограм-¡9» полученной для обработанного низкотемпературной плазмой суг-зшка отсутствуют.

Рс^льтати ешолшэнных . исследований позволили составить ха-сктеристику выделенных- по степени тепловой обработки зон' гранулы оеого естественного заполнителя, установить процессы, превалируете в формировании шс 1минерального состава и микроструктуры, что тражено в таблице 2. '

Ш' !-орэ увеличения температуры глинистого. сырья вначале за чёг сил молекулярного и электростатического напряжения, а затем, ак следствие образован® структуры в "процессе спекания, плавления : к^лстадлизации новой фазы минеральной составлящэй, наблюдается ост механической прочности керамического материала. При определе-:ии прочностных характеристик керамического материала, полученного :лазменной обработкой гранул суглинка среднего пылеватого, предва-ительно осуществляли его стандартное уплотнение в приборе Союз-орнии, с последующим разделением по фракциям. ' При этом установле-о, что основная доля уплотнённой навески продукта плазменной об-аботки (84,57.) включает фракции 10,0. ..7,5 и 7,5...3,0 мм. Материал характеризуется, как однородный по составу (Кн = 1,25) граве-истый грунт (содержание частиц диаметром > 2 мм превышает 50%).

Следуя дорожной классификации, исследуемый материал, по соде-.

Таблица 2

Характерные зоны гранулы керамического материала, сформированные при плазменной обработке глинистого сырья

Зоны Цвет Минеральный Микроструктура Основные

гранулы состав процессы

Перифе- Чёрный и Аморфное веще- Стекловатая Расплав с осте-

рийная тёмно- ство с включе- клованием при

оболоч- серый ниями разнови- температуре

ка дностей кремнезёма • 1800... 2000 °С

Подлож- Тёмно- Оснобной: •• Кристаллически- Связывание СаО

ка - серый и разновидности тонкозернистая , с расплавленной

серый кремнезёма и включанзшдя как алюмосиликатной

за счёт плагиоклаза; самостоятельные частью при тем-

окисле- второстепенный: выкристаллизо- пературе 1600

ния ли- волластонит, ванные зерна, ...1800 °С

монита полевые шпаты, так и объединён-

до маг- дегидратирован- ные в агрегаты

нетита ные мусковит и хлорит

Основной Красный Основной : Мелко и средне- Диссоциация

физичес- за счёт кремнезём, пла- зернистая, по карбонатов;

кий объ- окисле- гиоклаз и их величине зёрен - аморфизация '

ём ния гид- разновидности; неравномернозер- глинистых мине-

роокис- второстепенный, нистая, объеди- ралов; Спекание

лов же- в температурной нённая в агрега- контактов час-

леза до зоне1100-1500вС ты тиц при темпе-

гемати- - волластонит, ратуре 900...

та полевые шпаты, дегидратированные мусковит и хлорит; в температурной зоне 000... 1000 *С -кварц,плагиоклаз, хлорит, гидромусковит, хлорит, карбонат 1500 °С

ржанию в его уплотнённом объёме частиц различных размеров и веса, соответствует песку крупному или гравелистому. Экспериментально установленные значения величины угла внутреннего трения для частиц ■керамического материала размером менее 0,14 мм, приведённые на рис. 5, сопоставимы с аналогичным показателем для природного песка, нормированным в СНиП 2. 02.01-83. Результаты определения параметров, характеризующих прочностные и деформационные свойства нового искусственного заполнителя, отраженные в таблице 3, свидетельствуют о достаточно высоких их значениях и возможности применения керамического материала в практике дорожного строительства Отметим, что значения параметров прочности при сжатии и сдвиге для гранул из обработанного плазмой глинистого сырья несколько отличаются в сторону уменьшения от аналогичных величин для образцов, полученных нагревом в лабораторной печи. Это является следствием специфики скоростного нагрвЕа сырья в высокотемпературной газовой среде, обусловливающего процессы зонального формирования макроструктуры гранулы керамического материала Вместе с тем, значения прочности при сдвиге и угла внутреннего трения, для сравниваемых образцов гранул, существенных отличий не имеют.

Исследования водопроницаемости, выделенных при стандартном уплотнении фракций керамического материала на основе сырья, обработанного плазмой, позволили установить, что коэффициент ' фильтрации частиц размером < 0,14 мм более чем в 270 раз.выше аналогичной характеристики исходного суглинистого грунта и составляет около 4,0 м/сут. Для частиц фракции 7,5...10,0 мм величина коэффициента фильтрации соответствует 450 м/сут, что указывает на высокую дренирующую способность зернистого заполнителя. . ,

При определении морозостойкости гранулированного керамического материала, водопоглощание по массе которого составляет 23,3%, установлено, что по допускаемым потерям в весе, он выдерживает не канее 25 циклов замораживания-оттаивания. Изучение пучинистых сеойсте искусственного каменного материала на основе обработанных плазмой гранул из суглинка среднего пылеватого свидетельствует,что величина 1пуч <17.. Это позволяет классифицировать его в соответствии с ВСН 46-63, как грунт непучинистый. Следуя полученным данным о составе обменных ионов в еодной вытяжке из проб обработанных плазмой суглинистого грунта и результатам соответствующих испытаний, в диссертации сделан вывод о возможности применения нового керамического материала в композиции местными глинистыми породами

Таблица 3

Характеристики прочности и модуля упругости искусственных * ■ и природных каменных материалов

Расчётные характеристики Прочное: частицы (гранул

-¡а те риал щ Я град. с, Ша &СЖ , !Ла 5Р, Ша •7- с то Ша

Природлый по-сок: крупный гра-велисткЯ 130 42 0,005

средней крупности .120 40 0,005 - - -

Пяэз:.:екноукреп-"лённуй грунт, скесь зёрен 0 0,14-10,0 мм (песок крупный Гр27!ОЛ11СТ!'П) 105 32 0,008 9,7 1,3 6,4

Керамзит гравие подобкиЛ и его разновидности Аглопориговнй щебень 30-120 85-100 30-40 30-40 0,3-6,0 0,4-4,5 _ - '

V У

I »

Г

0

I»

*> ¿3

к

к

1

* 91 ■ «

4

т

(-¡/гол Якутренкего трении &>з приростного л* с к в по СНиЛ

♦

-

1 Z.- Уго-п внутреннего трении &/гя /нгем-мекноукрепденко го —грунта

_ а - { У* 33 ~ |ля,согМЛес $ 0,53 мм

] ' •¿>0,Г4м*1

...... ——- <Лаог\ О.ОйеМЛа У'29 грав "V МЛа

.......... ' с

Лески с/О. крдак. Меллие л*ел и Лылеёатые пест

| 0 (),£$*,«•*$0% 0 Ог1мм > 1$% '3 а,1*>* < ?$х

Рис. 5. Нормированные значения углов внутреннего трения для . природного песка и прочностные характеристики частиц обработанного плазмой глинистого -грунта '

при ремонте участков земляного полотна автомобильных дорог, подве-' рженных пучинообразованию.

Результаты исследований комплекса свойств керамического материала, получаемого плазменной обработкой глинистого сырья и сопоставление -их с данными действующих нормативных документов, регламентирующих применение "материалов в дорожном строительстве, позволили сделать вывод о пригодности его для использования в нижних слоях оснований дорожных одежд автомобильных дорог любых категорий, .во всех-дорожно-климатических зонах.

Существующий опыт строительства автомобильных дорог свидетельствует, что зернистые керамические материалы, включая керамзит и аглопорит можно применять в обработанном вяжущими виде в верхних слоях оснований дорожных одежд, добиваясь при этом значительной экономии каменных материалов. Испытания серии образцов композиций-, на основе гранул суглинка среднего пылеватого, обработанных плазмой, и добавок вяжущих в виде битума или цемента, осуществлены после подбора рациональных составов смесей. Для контрольных образцов композиций, включающих керашческий материал и цемент, твердевших 28 суток, получены следующие показатели физико-механических свойств: предел прочности при-сжатии водонасыщенных образцов Нед = 2,3 МПа; предел прочности на растяжение при изгибе Ни = 0,31 МПа; коэффициент морозостойкости Кмз = 0,66. Сопоставление полученных результатов с данными СН 25-74 позволяет отнести полученную композицию ко П, Ш классам прочности и свидетельствует о возможности применения её в слоях оснований дорожных одежд под асфальтобетонными покрытиями. Контрольные испытания образцов смеси подобранного состава керамического материала и битума с последующим сравнением полученных показателей физико-механических свойств с. требуемыми значениями параметров, регламентированных строительными нормами, дают основание считать, что органоминер'альные композиции также пригодны для строительства верхних слоев оснований дорожных одежд.

Таким образом, гранулированный керамический материал, получаемый из глинистого сырья с учётом установленных и представленных в диссертации режимных параметров плазменной обработки, можно применять при строительстве автомобильных дорог не ограничиваясь земляным полотном и нижним слоем дорожной одежды. Результаты исследований свойств композиций на основе смеси керамического материала с вяжущими позволяют рекомендовать исследуемый заменитель природного камня для применения не только в дорожном строительстве, но и в

качестве заполнителя для конструктивно-теплоизоляционных и конструктивных бетонов. Это .особенно важно для районов, в которых отсутствуют месторождения каменных строительных материалов.

Четвёртый раздел включает рассмотрение' технологических аспектов плазменной термообработки гранулированного глинистого грунта, оценку ее экологической эффективности, требования по допустимым составам и свойствам сырья, применение которого обеспечивает установленный уровень качества искусственного заполнителя, обоснование областей и особенностей применения нового зернистого материала при строительстве и реконструкции автомобильных дорог.

Анализ работ, посвященных производству зернистых керамических материалов, позволяет считать, что термообработка сырцовых гранул с применением злектроплазменных устройств может осуществляться на основе технологической схемы, включающей ключеЕые этапы и операции, проверенные многолетней практикой получения керамзита.. При этом, основываясь на результатах изучения состава и особенностей залегания глинистых пород на территории Западной-Сибири, в составе операций технологического процесса можно выделить: добычу, пластическую переработку глинистого сырья и изготовление гранулированного сырца; сушку и скоростной высокотемпературный обжиг полуфабриката; охлаждение готового продукта' и, при необходимости, рассев и складирование керамического материала. Предложенйая технологическая схема производства нового керамического материала базируется на использовании серийно-выпускаемого отечественной промышленностью комплекта машин и оборудования. В комплект механизмов для переработки и приготовления гранулированного полуфабриката входят: ящичный подаватель; вальцы грубого помола; глиномешалка; дырчатые вальцы для формования гранул.

Главная и наиболее ответственная операция в производстве керамических материалов - обжиг переработанного сырья. Высокотемпературная обработка.гранулированного сырья при получении искусственного заполнителя по предлагаемой технологии осуществляется при помощи электроплазшнкой установки и включает следующие основные стадии: загрузку переработанного сырья в сушильную камеру с последующим перемещением высушенного материала в реактор, смешение нагретого при помощи электрддуговых плазмотронов рабочего газа и обрабатываемых гранул, выгрузку готового продукта в камеру замедленной скорости охлаждения. * ...

Работу электродугового реактора обеспечивает ряд блоков, составляющих технологическую установку. Блок подготовки рабочего газа включает аппараты для его компримирования, очистки, дозирования и передачи. Для защиты катодов злектродуговых плазмотронов применяется газообразный азот. При использовании в установке плазмотронов с расходным катодом необходимость в азоте отпадает. Охлаждение плазмотронов, герметично закреплённых на корпусе реактора, осуществляется за счёт оборотного водоснабжения. Подача гранулированного полуфабриката в реакторный блок производится при помощи питателя, навстречу газовому потоку, направляемому в сушильную камеру. Из сушильной камеры паропылегазовый поток направляется в теплообменник блока газоочистки, где газовая смесь освобождается от воды. Полученный конденсат собирается в сборнике, где нейтрализуется и направляется на повторное использование в блок переработки глинистого сырья. Раз, содержащий оксиды азота» попадает для газоочистки в абсорбер, а затем выбрасывается в атмосферу.

В отличие от действующее производств зернистых керамических материалов рассматриваемую технологию плазменного термоукрепления связных грунтов можно характеризовать как "экологически чибтую". В работе показано, что величина максимальной приземной концентрации вредных веществ, выбрасываемых из одиночной технологической установки при высокотемпературной обработке глинистого сырья, составляет 0,01 мг/м3. Согласно СН 245-71 расчётная максимальная разовая концентрация оксидов азота (в пересчёте на NQj) для промышленной площадки соответствует'1,7 мг/м3, а для населения в селите-

з

бной зоне (размер санитарно-защитной зоны 100м) - 0,085 мг/м . Предельно допустимый холодный выброс вредного вещества в атмосферу из одиночного источника, в соответствии с СН 369-74, составляет 0,01 г/с. Валовый же сброс источника загрязнения не превышает 0,0002 г/с. Таким образом, практически безотходное .производство керамического материала с термической обработкой сырцовых гранул в электроплазменном реакторе обеспечивает соблюдение санитарно-гигиенических требований нормативных документов, предъявляемых к предприятиям промышленности строительных материалов.

Искусственный материал, получаемый термообработкой глинистого сырья по электроплазменной технологии, по своим свойствам относится к группе изделий строительной керамики и в соответствии с ГОСТ 25137-82 классифицирован' как пористый неорганический заполнитель, со средней объемной плотностью менее 2 т/м3 . По крупности зёрен

новый заменитель природных заполнителей подразделён на две группы

- крупные (с размером зёрен от 5 до 15 мм) и пористый песок. При водопоглогдении по объёму до 25% и по массе - до 15%, марка продукта плазменной обработки керамического сырья по насыпной плотности - более 900 кг/м3. Морозостойкость ноеого заполнителя соответствует 25 циклам. Потеря массы после испытаний.при этом не должна превышать. 5%. Коэффициент фильтрации крупного заполнителя составляет не менее 200 м/сут, для пористого песка коэффициент фильтрации соответствует 3 м/сут. Параметры, характеризующие прочностные свойства рассматриваемого продукта, приведены в табл. 3.

Для получения керамического материала с применением электроплазменного реактора рекомендовано сырьё с содержанием глинистых частиц в пределах 10... 40% и пылеватых частиц - 30... 60%. При наличии высокопластичного глинистого сырья,' с числом пластичности

\

более 25, целесообразно применение отошающих добавок в виде песка супесей или других материалов, подобной дисперсности. Количество вводимой добавки, рекомендованное для опытно-промышленного производства составляет: для песка размером до 2 мм - 40%, песок размером до 0,1 мм можно вводить в глинистое сырьё в количестве до 50%, а объем добавки супеси может достигать 70%. По составу окислов глинистые породы должны включать БЮе - 6 0... 65%, свободный кварц

- 15. ..20%; А^Оз - 10. ..13%; СаО - до 5%; Иая0 + Кг0 - не < 2,5%; Потери при прокаливании сырья - в среднем должны соответствовать 8 .;. 10%.

Результаты решения задач класса "газ-гранула глинистого грунта", а также выработанные требования к исходному и конечному продуктам плазменной обработки сырья, послужили основой для составления технического задания на проектирование и изготовление опытно-промышленной злектроплазменной установки для скоростной высокотемпературной обработки сырья и получения керамического материала, принятого к реализации Сибирским химическим комбинатом.

Дзлее в работе сформулированы некоторые принципиальные положения по технологии применения нового зернистого керамического материала при строительстве оснований дорожных одежд автомобильных дорог. Следуя данным, полученным при изучении свойств, рассматриваемый керамический материал по степени каркасности отнесён к Л классу пород и охарактеризован как каркасный, содержащий части! крупнообломочной фракции после стандартного уплотнения - более 653 Для уплотнения такого материала пригодны катки или вибрационные

машины. При выполнении технологических операций по обжимке и уплотнению искусственного материала в дополнительном слое основания дорожной одежды рекомендован один тип катка - лёгкий, средний или тяжелый. Согласно исследованиям, проведённым в МАДИ к. т. н. Е. А. Поспеловым по изучению уплотняемости малопрочных горных пород, такой подход к производству работ обеспечивает снижение образования мелкозёма и быстрое достижение требуемой плотности. Распределение керамического материала в основании дорожной одежды можно- производить автогрейдером с учётом коэффициента уплотнения слоя 1,3.... 1,5. 5а 20... 30 минут До качала уплотнения керамический материал должен иметь влатаость близкую к оптимальной (Мо = 12%) с отклонением не более 1,0£. Минимальная толщина устраиваемого слоя основания из заполнителя в плотном состоянии (^бпах = 1,4 г/см ) зависит от применяемых уплотняющих средств и составляет 10... 25 см, что в целом соответствует существующему' опыту применения в дорожном строительстве зернистых искусственных материалов. При устройстве оснований дорожных оде.тщ из обработанного плазмой зернистого искусственного материала з смес'и с 'неорганическими и органическими вяжущими можно руководствоваться требованиям СКИП 3. 06.03-85, распространяющимися на устройство оснований из композиций на основе крупнообломочных, песчаных и глинистых грунтов и вяжущих.

Рассмотренные в настоящем разделе диссертации требования и рекомендации не претендуют на окончательный вариант и являются основой для развития и разработки геэнкретных технологий производства и применения в дорожном строительстве керамических материалов из обработанного плазмой глинистого сырья, выполняемых в Томской государственной архитектурно-строительной академии аспирантами Ю. М Чарыковым 'и а Е Агафоновы.!

Пятый раздел- диссертации является заключительным. Он посвящен рассмотрению эффективности производства и применения в дорожном строительстве зернистого 'керамического материала получаемого по ' разрабатываемой электроплазменной технологии. Реализация рассматриваемой технологии способствует рассиреН1Ш сырьевой базы строительных материалов и сокращению транспортных затрат, что особенно важно для вноеь осваиваемых райнов, характеризуемых неблагоприятными грунтово-гидрологическими условиями, бездорожьем, отсутствием месторождений каменных гатериэлов, например, в-Западной Сибири. В этой связи отмечено, что производство керамического заполнителя по

электроплазменной технологии не ставит целью полную и повсеместную замену природных зернистых материалов искусственными, например, .при строительстве оснований дорожных одежд!

Для сравнения эффективности производства зернистых керамических материалов по традиционным и предлагаемой технологическим схемам и строительства из них дополнительных слоев принята конструкция дорожной одежды, применяемая в ряде районов Западной Сибири. При определении стоимости искусственного заполнителя, -получаемого плазменной обработкой глинистого сырья, учитывали"удельный расход электрической энергии, связанный с работой электродугового реактора.» Его величина установлена раечётно-экспериментальным путём и составляет 110 кВт»ч на плазменную обработку 1 м®керамического материала. Энергетические затраты на работу комплектующего оборудования, при производстве зернистых керамических материалов по рассматриваемой и применяемым в промышленности строительных материалов технологиям, назначены в соответствии со справочными данными.

Как следует из таблицы 4, выпуск единицы объема керамического материала, термообрабоганного в элекгроплазменном реакторе, раЕвн по стоимости производству аглопорига и ниже затрат, связанных с выпуском керамзита и керамдора, соответственно в 3,2 и 4,2 pasa Сметная стоимость строительства дополнительного слоя дорожной одежды из керамического материала, полученного при помощи злектроп-лаз! энной установки, на 7Z ниже, чем при применении аглопорига, а также ниже стоимости строительства слоев из керамзита и кераадора соответственно на 60 и 51X. Трудоёмкость работ по строительству нижнего слоя основания дорожной одевды также свидетельствует об эффективности применения нового керамического материала.

В условиях нестабильных цен на энергоносители представлялось важным оценить эффективность производства и применения в дорожном строительстве зернистых керамических материалов по критерию энергозатрат. Как следует из таблицы 5, значительная доля энергозатрат обусловленных строительством дополнительных слоев из искусственных материалов, связана с работой оборудования по их производству. Так например, на производство керамзита затрачивается около 93% суммарной энергии, связанной с производством и строительством конструктивного слоя дорожной одежды из этого материала. При этом энергозатраты на получение зернистого заполнителя по плазменной технологии соответствуют 7QZ от суммарных затрат энергии, направленных н< строительство дополнительного слоя дорожной одежды. Энергозатрат!

Таблица 4

Сметная стоимость производства зернистых искусственных материалов и строительства из них дополнительных слоев

дорожных одежд в ценах 1990 г. (без учёта индексации)

Показатели, соответствующие строительству I км автомобильной дороги Ш технической категории Керамический материал цля строительств ва дополнительного слоя цорочсноЯ оде*-

аглопорит и** керамзит керамдор грунт, укрепленный в плазменном реакторе •

стоимость I м3, руб 10,89 35,41 45,6 10,82

стоимость строительства дополнительного слоя тыс.руб Ш,Э 326,0 266,8 131,6

трудоемкость работ по строительству дополни?-тельного слоя, чел*ч» 2293,1 1 3942,0 3060,7 2207,1

Таблица 5

Затраты энергии на единицу работ при строительстве дорожных одежд с дополнительными слоями из керамических материалов

- Характеристика затрат энергии Керамический материал для строительства пополнительного слоя до речной ОДР*ДЫ

аглопорит керамлит керамдор гот/нт,укреплённый в плазменном реактора

энергозатраты на устрой' ство дополнительного слоя дорожной одежды с . учетом затрат на производство керамических материалов, ВДж/и3 3776,2 5206,5 5551,7 1141,1

в тоы числе: .

затраты энергии на производство материала, Щж/Йэ. 3432,5 4862,8 5324,14 797,35

затраты энергии на устройство дополнительного слоя, ЦД«/м3 343,76 343,76 343,76 1 227,62

на производство единицы объема продукта плазменной обработки гранулированного' глинистого сырья в условиях ряда районов Западной' Сибири могут быть ниже затрат энергии, связанных.с получением аналогичного объёма аглопорита в 4,3, а керамзита - в 6,1 раза.

Развитие направления плазменной технологии в области скоростной высокотемпературной обработки гранулированных глинистых грунтов получит продолжение в работах аспирантов Ю. М. Чарыкова и ЕВ. Агафонова, в части углублённого изучения процессов структурообра-зования и изменения прочностных.свойств керамического материала при форсированном вводе тепловой энергии в глинистое сырьё, рассмотрения возможности направленного регулирования физико-химических процессов формирования свойств продукта высокотемпературной обработки керамического сырья, отработки вопросов технологии получения и применения нового искусственного > материала в дорожньс: конструкциях.

Автор благодарен академику академии транспорта РФ, проф. А. П. Васильеву (МАДИ), представителям кафедр и лабораторий Томской государственной архитектурно-строительной академии, института теплофизики СО РАН, консультантам - специалистам в областях: плазменной обработки строительных материалов и изделий - проф. Г. Г. Волоки-тину (ТРАСА), технологии силикатов - проф. К И. Верещагину (ТПУ), технической минералогии и петрографии - проф. А. В. Мананкову (ТГУ), за неизменную поддержку и неоценимую помощь в-работе. •

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1. В результате выполненных исследований научно обоснованы технологические решения по скоростной, высокотемпературной обработке гранулированного глинистого сырья при помощи устройств, генерирующих низкотемпературную плазму и на этой основе разработана технология получения нового керамического материала, по прочности, морозостойкости и дренирующей способности удовлетворяющего требованиям строительства дорожных оснований в районах избыточного увлажнения и глубокого сезонного промерзания пучинистых грунтов, пр1 отсутствии месторождений песков и гравийно-песчаных смесей, чтс является отдельным направлением электроплазменных технологий.

2. Моделирование процесса теплопереноса в системе " газ-гранула глинистого грунта" позволило установить технологические пара-

метры, обусловливающие эффективную обработку глинистого сырья пла-' змой и получение искусственного материала с требуемыми свойствами, включая: размер гранул, подготовленных для подачи в электроплаз-мэнный реактор, - 5. ..15 мм; температуру газа в рабочей зоне реактора - не < 3000 вС; время пребывания гранулы указанных размеров в зоне интенсивной тепловой обработки реактора 2... 3 с,, с последующим замедленным её охлаждением, например, для гранул, имеющих радиус г = 7,5 мм, в течение 30 с.

3. Установлена динамика протекания физико-химических процессов в глинистом сырье, учитывающая распределение температурных полей от поверхности к центру сферических гранул в неравновесных условиях форсированного ввода в них тепловой энергии плазмы:

- плавление и частичное растворение кремнезёма (оболочка гранулы) ;

- глубокое спекание и образование высокотемпературных форм кремнезёма и продуктов разложения компонентов (подложка);

- начало спекания продуктов разложения компонентов, синтез волластонита (области основного объёма гранулы, расположенные Еблизи зоны подложки);

- дегидратация глинистых минералов, гидросиликатов и диссоциация карбонатов (центральная часть основного объёма гранулы).

4. Установлены особенности формирования физико-механических и водно-физических свойств искусственного материала, получаемого по плазменной технологии. Продукт плазменной обработки сырья, имеющий зональное строение гранул, по комплексу сеойств отнесён к группе изделлй строительной керамики, классифицирован как пористый неорганический заполнитель и характеризуется параметрами: модуль упругости - не менее 105 !ffla¿ морозостойкость - не менее 25 циклов; коэффициент фильтрации крупного заполнителя фракции 5... 15 мм - не менее 200 м/сут, для пористого песта - не менее 3 м/сут. Это определяет его соответствие требованиям действующих нормативных документов, регламентирующих применение зернистых природных и искусственных материалов в нижних, а в смеси с органическими или неорганическими вяжущими - в верхних слоях оснований дорожных одежд строящихся и реконструируемых автомобильных дорог.

5. Разработаны требования к глинистому сырью для получения зернистого керамического материала по плазменной технологии. Рекомендовано применение сырья с содержанием глинистых, частиц в пределах 10... 40%, пылеватых частиц 30.. .'60%, а также минеральны),! сос-

тавом, включающим оксид кремния в пределах 60. ..65% ( при наличии свободного КЕарца 15. ..20%) и А1203- 10... 13%. Потери при прокаливании сырья в среднем могут составлять 8... 10%.

6. Практическая направленность исследований выражена в разработке технологической схемы производства зернистого керамического материала, включающей добычу и переработку сырья с грануляцией и сушкой, его скоростную высокотемпературную обработку и охлаждение, исходя из условий эколого-экономической эффективности, возможности расширения спектра пригодного для плазменной обработки глинистого сырья, мобильности основного технологического оборудования и подтверждена решением Федерального дорожного департамента Минтранса России, об апробации результатов исследований в производстве.

Основные положения диссертации опубликованы в 83 работах автора, в том числе:

1. Методические рекомендации по назначению расчётных параметров суглинистых грунтов земляного полотна для. проектирования и реконструкции дорожных одежд в юго-восточной части Западной Сибири / Тулаев А. Я. , Ейслер А. К , Ефименко Ей. - М.: ЦЕКГИ Ыинавтодора РСФСР, 1979. - 48 с. _

2. Ефименко Е Е , Шеслер А. И. Дорожно-климатическое районирование юго-восточной части Западной Сибири // Автомобильные дороги. - 1£80. - N7. - С. 19-21. ^

3. Ефименко К Е , Шеслёр А. И. К обеспечению морозоустойчивости дорожных одежд в районах Западной Сибири // Разработка рациональных методов проектирования, строительства и эксплуатации автомобильных дорог и мостов.- Томск: Изд-во Том. ун-та, 1981.- С.24-31.

4. Ефименко Е Н. , Вилисов Е Е Анализ причин разрушения нежёстких дорожных одежд в условиях Западной Сибири // Рациональные, методы строительства и эксплуатации автомобильных дорог в условиях Сибири. - Томск: Изд-во Том. ун-та, 1983. - С. 41-45.

5; Ефименко ЕЕ , Шеслер' А.И. Источники увлажнения земляного полотна автомобильных дорог районов глубокого промерзания грунтов. // Исследование транспортных сооружений Сибири. Томск: Изд-во Том. ун-та, 1987. - С. 168-172.

6." Ефименко Е Е , Есипов С. И. , Чарыков XX М. , Дурнин Е Е Высокотемпературная обработка связных трунтов применительно к дорожному строительству. //Тезисы докладов к научно-практической конференции "Особенности проектирования и строительства автомобильных

дорог в условиях СеЕеро-Запада". Архангельск: АЛТИ,1988. - С.' 42-43. '

7. А. с. 1685104 СССР.' Способ укрепления связных грунтов. / В. а Ефименко, С. Я Есипое, Ю. М. Чарыков, К Б. Дурнин (СССР). -N4765924 Заявлено 19. 09.89. Нэ публикуется.

8. Ефименко В. а , Дурнин Е Б. , Чарыков Ю. М. Исследование сеойств плазменноукреплённых связных грунтов применительно к дорожному строительству. // Тезисы докладов научно-технической конференции "Использование отходов промышленности при строительстве и эксплуатации автомобильных дорог в нечерноземной зоне РСФСР". Владимир,- 1990. - С. 20-21.

9. Ефименко В.Е , Есипов С. И., Орищин ЕД.- Некоторые свойства суглинистых грунтов, используемых при строительстве автомобильных дорог в юго-еосточной части Западной Сибири. - Томск: Изд-во Том. ун-та, 1990. - 13-20.

10. Ефименко ЕII , Чарыков Ю. М. Термический метод укрепления связных грунтов. // Автомобильные дороги. - 1991. - N4. - С. 22-24.

11. Ефименко Е Н., Черных Г. Ф. Особенности строительства и эксплуатации автомобильных дорог в условиях Томской области. // Повышение эффективности дорожного строительства в условиях Сибири. -Кемерово: Изд-во Кузбас. политехи, ин-та, 1991.- С. 108-112.

12. Ефименко В. Е , Чарыков К1 М. Методика определения теплоп- ' роводности грунтов, подвергаемых высокотемпературной обработке //

Сб. тезисов докладов научно-технической конференции. Применение отходов промышленности и местных строительных материалов при строительстве и ремонте автомобильных дорог. - Владимир: Владимирское областное правление ВНТО АТ и ДК, 1991. - С. 76-77.

13. Ефименко В. Н. Оценка эффективности применения термоукреп-лённых'грунтов в качестве материала дополнительного слоя дорожных одежд в условиях Томской области. // Повышение эффективности строительства и эксплуатации зданий и транспортных сооружений в условиях сурового климата: Межвуз.' сб.. научн. тр. - Чита- Чит. политехи, ин-т, 1992.- С. 42-47.

14. Ефименко Е II , Жарикова" Г. Н., Черных Г. Ф. Оценка энергозатрат на производство и применение искусственных каменных материалов. // Автомобильные дороги. - 1992. - N11-12. - С. 18-20.

15. Ефименко Е К , Дурнин В. Е , Чарыков а М. Анализ сеойств грунтов, обработанных низкотемпературной плазмой // Проектирование и строительство автомобильных дорог и мостов в Сибири. Томск: Изд-во Том. ун-та, 1992. - С. 29-39.

16. Ефименко Е Е , Дурнин Е Е , Нужина И. Е , Чарыков Ю. Е Эффективность применения в дополнительных слоях дорожных одежд автомобильных дорог термоукреплённых грунтов.// Проектирование и строительство автомобильных дорог и мостов в Сибири.- Томск: Изд-во Том. ун-та, 1992. - С. 40-47.

■ 17. Ефименко ЕЕ Результаты численного моделирования процесса нагрева дисперсных частиц связного грунта в высокотемпературных потоках газа. // Изв. вузов. Стр-во. - 1993. - N7-8. - С. 85-89.

18. Ефименко Е Е ь Ольховатенко Е Е. , арыков. ¡0. М. Закономерности изменения состава и свойств связных грунтов в процессе термического упрочнения. //Геоэкология. Инженерная геология. Гидрогеология. Геокриология. - 1993. -N1. - С. 89-93.

19. Бурка А. Л , Ефименко Е Е Моделирование радиационно-конвективного нагрева гранул связного грунта в потоках низкотемпературной плазмы. // Прикладная механика и техническая физика. - 1993. Т. 34, N6 (202). - С. 94-88.

20. Ефименко ЕЕ Плазменная технология термического укрепления гранулированных связных грунтов в дорожном строительстве. // Изв. вузов. Стр-во. - 1993. N10. - С. 104-109.

21. Ефименко ЕЕ, Чарыков ЕМ. Исследование зависимост* состава и свойств от- стадии нагрева связного. грунта.// Обеспечение надёжности транспортных сооружений в' условиях Сибири. -Томск; йзд-вс Том.-- ун-та, 1993. - С. 45-54. ' • -

22. Ефименко Е Е, Никитин Е Е Термически укреплённые грунть в дорожном строительстве.// Изв. вузов. Стр-во. - 1993. N11-12. 1 С. 80-84.

23. Ефименко Е Е , Путятин С. Ы., Путятина Е. Е Оптимизаци; теплового режима укрепления связных грунтов применительно к дорожному строительству. //Обеспечение надёжности транспортных сооружений в условиях Сибири. - Томск: Йзд-во Том. ун-та, 1993. - С. 55-61.

24. Ефименко ЕН, Чарыков й. К , Агафонов ЕЕ, Урманов И. А., Черных -Г. Ф. Некоторые аспекты плазменной технологии термическоп укрепления связных грунтов применительно к дорожному строительств; // Автомобильные дороги. Информационный сборник. Выпуск7. - Ы: 1994. - С. 1-18.

25. Ефименко ЕЕ Термоукрепление связных грунтов в дорожно] строительстве. - Томск: Изд-во Том. ун-та, 1994. - 130 с.

26. Ефименко Е Е , Чарыков Ю, Ы., Агафонов Е Е Изменение сос тава и свойств связных грунтов при плазменном укреплении. //Всерос

\

сийская международная научно-техническая конференция. Тезисы докладов. - Омск: СибАДИ, 1994. - С. 53-54.

27. Ефименко В. Е Разработка технологии плазменного укрепления гранулированных связных грунтов. // Совершенствование методов проектирования и строительства автомобильных дорог России. - Омск: СибАДИ, 1994. - С. 48-50.

28. Ефименко В. а , Чарыков -К1М , Агафонов В. Е , Пушкарёва Г. Е Технологические аспекты применения злектродугоЕых подогревателей при термическом укреплении гранулированных связных грунтов.// Научно-техническая конференция "Материалы, технология, организация строительства". Тезисы докладов. - Новосибирск: НГАС, 1994. - С. 15.

29. Ефименко В. Е Плазменная технология термического укрепления гранулированных связных грунтов в дорожном строительстве: // Всероссийская международная научно-техническая конференция. Тезисы докладов. - Омск: СибАДИ, 1994. - С. 47-48.

30. Ефименко В. Е Пути интенсификации строительства автомобильных дорог в районах Западной Сибири. // Изв. вузов. Стр-во. -1994. - №-10. - с .-ее-ЯЗ.