Научные основы и технология получения энергоэффективных строительных материалов из механомагнитно активированных композиционных минеральных вяжущих тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, доктор наук Ибрагимов Руслан Абдирашитович

• Ибрагимов Руслан Абдирашитович
• доктор наук
• 2025

Оглавление диссертации доктор наук Ибрагимов Руслан Абдирашитович

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. СПОСОБЫ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ КОМПОЗИЦИОННЫХ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ

МЕХАНОМАГНИТНОЙ АКТИВАЦИЕЙ ВЯЖУЩЕГО

1.1 Механическая активация минеральных вяжущих

1.1.1 Оборудование и способы механической активации минеральных вяжущих

1.1.2 Интенсификация технологических процессов с применением аппаратов вихревого слоя

1.1.3 Процессы и явления, происходящие при механической активации

1.1.4 Структура и свойства искусственного камня на механоактивированном вяжущем. Мера активности вяжущего

1.2 Механомагнитная активация минеральных вяжущих

1.2.1 Аппараты вихревого слоя с ферромагнитными телами

1.2.2 Механомагнитная активация в производстве строительных материалов

1.3 Выводы к главе

ГЛАВА 2. ХАРАКТЕРИСТИКА ОБЪЕКТОВ И МЕТОДОВ

ИССЛЕДОВАНИЯ

2.1. Вяжущие материалы

2.2. Инертные материалы

2.3. Модифицирующие добавки

2.4. Методы экспериментальных исследований

2.5. Аппарат вихревого слоя

2.6. Физико-химические методы исследований

2.7. Алгоритм синтеза композиционных строительных материалов и их структурных компонентов

2.8. Статистическая обработка экспериментальных данных. Регрессионный, корреляционный анализ, планирование эксперимента

ГЛАВА 3. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ И МОДЕЛИ МЕХАНОМАГНИТНОЙ АКТИВАЦИИ МИНЕРАЛЬНЫХ ВЯЖУЩИХ

В АППАРАТАХ ВИХРЕВОГО СЛОЯ

3.1. Картина электромагнитного поля в рабочей камере АВС

3.1.1 Электромагнитные характеристики рабочей камеры АВС

3.1.2 Влияние электромагнитного поля на процессы измельчения в АВС

3.1.3 Определение параметров и режимов работы АВС

3.2. Модель движения ферромагнитных тел в АВС

3.2.1 Ударные воздействия при диспергировании в АВС

3.2.2. Определение зависимости расхода активной мощности от среднего

диаметра обрабатываемого материала

3.2.3 Модель удара при обработке в АВС

3.2.4. Определение влияния скорости измельчения от диаметра частиц

3.2.5. Механизмы разрушения минеральных частиц и кинетические характеристики ферромагнитных тел в АВС

3.3 Влияние ЭМП на прочность цементного камня

3.3.1 Влияние ЭМП на характеристики измельчаемых порошков

3.3.2 Распределение по размерам частиц портландцемента

3.3.3 Распределение по размерам частиц строительного гипса

3.3.4 Распределение по размерам частиц кварцевого порошка

3.4 Оценка энергозатрат на активацию минеральных компонентов в АВС

3.4.1 Поверхностное натяжение активированных порошков в процессе

механомагнитной активации в АВС

3.4.2. Результаты определения энергетического баланса измельчения в АВС

3.4.3. Модель определения количества активированного вещества при механомагнитной активации

3.5 Выводы к главе

ГЛАВА 4. СТРУКТУРООБРАЗОВАНИЕ КОМПОЗИЦИОННОГО

КАМНЯ ИЗ МЕХАНОМАГНИТНО АКТИВИРУЕМЫХ ВЯЖУЩИХ

4.1. Структурообразование, параметры структуры и свойства механомагнитно активированного цементного камня

4.1.1. Полиморфные изменения в структуре механомагнитно активированного портландцемента

4.1.2. Минералогический состав продуктов гидратации цементного камня из механомагнитно активированного портландцемента

4.1.3 Влияние химических добавок на процессы гидратации и структурообразования цементного камня

4.1.4 Структурообразование активированного наномодифицированного цементного камня

4.1.5 Влияние механомагнитно активированной золы-уноса на процессы гидратации цементного камня

4.1.6 Оценка влияния агрессивной среды на долговечность цементного камня 280 4.1.7. Определение влияния продолжительности хранения портландцемента

на сорбционное поглощение влаги

4.2. Структурообразование, параметры структуры и свойства гипсового камня на механомагнитно активированном гипсовом вяжущем

4.2.1. Полиморфные изменения в структуре механомагнитно активированного строительного гипса

4.2.2. Полиморфные изменения в структуре гипсового камня

4.3. Структурообразование, параметры структуры и свойства

механомагнитно активированного известково-песчаного камня

4.3.1. Полиморфные изменения в структуре известково-песчаного камня

4.4 Выводы к главе

ГЛАВА 5. МНОГОКРИТЕРИАЛЬНАЯ ОПТИМИЗАЦИЯ СОСТАВОВ КОМПОЗИЦИОННЫХ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ МЕХАНОМАГНИТНО АКТИВИРОВАННЫХ

МИНЕРАЛЬНЫХ ВЯЖУЩИХ

5.1 Многокритериальная оптимизация составов конструкционных бетонов

5.2 Многокритериальная оптимизация составов сухих строительных смесей напольных

5.3 Многокритериальная оптимизация составов строительных растворов штукатурных

5.4 Выводы к главе

ГЛАВА 6. ОЦЕНКА МЕХАНИЧЕСКИХ И ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК РАЗРАБОТАННЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ ОПТИМАЛЬНЫХ СОСТАВОВ

6.1 Физико-механические свойства мелкозернистых конструкционных бетонов, полученных механомагнитной активацией вяжущего

6.1.1 Показатели морозостойкости и водонепроницаемости конструкционных бетонов, полученных механомагнитной активацией вяжущего

6.1.2 Деформации усадки и расширения мелкозернистых бетонов

6.2 Влияние фибрового армирования на прочность цементных композиций, полученных механомагнитной активацией портландцемента

6.2.1 Влияние различного количества и вида фибр на физико-механические свойства цементных композиций

6.2.2 Определение влияния совместного армирования металлической и полипропиленовой фибры на предел прочности при изгибе тяжелого бетона

6.2.3 Структурный анализ дисперсного армирования цементных композиций

6.2.4 Технологические свойства самоуплотняющейся бетонной смеси

6.2.5 Физико-механические свойства разработанного самоуплотняющегося бетона

6.3. Определение влияния продолжительности хранения механомагнитно активированного портландцемента на прочность при сжатии мелкозернистого бетона

6.4. Влияние УНТ на прочность при сжатии тяжелого бетона из механомагнитно активированного портландцемента

6.5. Влияние модельных сред на биостойкость мелкозернистого бетона

6.5.1 Влияние УНТ на биостойкость мелкозернистого бетона

6.5.2 Влияние модельной агрессивной среды на деградацию бетонных конструкций на механомагнитно активированном портландцементе: физическая и численная модель

6.6 Физико-механические свойства тяжелого бетона из механомагнитно активированной золы-уноса

6.7 Сухие строительные смеси напольные на механомагнитно активированном гипсовом вяжущем

6.8 Штукатурные строительные растворы на механомагнитно активированном известковом вяжущем

6.9 Выводы к главе

ГЛАВА 7. ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА КОМПОЗИЦИОННЫХ

СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ НА МЕХАНОМАГНИТНО АКТИВИРОВАННЫХ ВЯЖУЩИХ И ВНЕДРЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

ДИССЕРТАЦИОННОГО ИССЛЕДОВАНИЯ

7.1. Технологические особенности получения конструкционных бетонов

7.2 Технологические особенности получения сухих строительных смесей напольных

7.3. Технологические особенности получения штукатурных растворов

7.4. Технико-экономическое обоснование эффективности применения предварительной механомагнитной активации вяжущих

7.5 Апробация и внедрение результатов исследований

7.6 Выводы по главе

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Список сокращений и условных обозначений

Список литературы

Приложение 1 (Акты внедрения)

Приложение 2 (Акт о внедрении в учебный процесс)

Приложение 3 (Технологические регламенты)

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Научные основы и технология получения энергоэффективных строительных материалов из механомагнитно активированных композиционных минеральных вяжущих»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследования. В соответствии со Стратегией развития строительной отрасли и ЖКХ РФ1 предполагается «внедрение инновационных, энергоэффективных и экологичных технологий...». Строительная индустрия, как самостоятельный вид деятельности в сфере строительства, является одной из материало- и энергоёмких областей экономики. Современные строительные материалы - многокомпонентные высоконаполненные дисперсные системы, для управления структурообразованием которых применяются минеральные наполнители, имеющие различную дисперсность. В этой связи применение энергоэффективных способов не только повышения дисперсности, но и направленного изменения поверхностных свойств дисперсных компонентов позволит повысить энергетическую эффективность как на этапе подготовки компонентов, так и на этапах раннего структурообразования.

Совместное использование как химических, так и физических способов управления структурообразованием позволяет повысить технико-экономическую эффективность и эксплуатационные свойства композиционных материалов. Эффективность физических способов (механоактивация, измельчение и т.д.) повышается при комбинировании различных физических воздействий на обрабатываемый материал. Рациональным способом является совмещение воздействия электромагнитного поля и механических сил. В работах ак. РАН Морозова Н.Ф. с сотр. показано, что под влиянием магнитного поля в немагнитных кристаллах с дефектной структурой наблюдаются магнитопластические эффекты, проявляющиеся в увеличении подвижности и локализации краевых дислокаций. Это способствует снижению величин механических и увеличению деформативных свойств таких кристаллов.

Аппаратно совмещение электромагнитных полей и механических сил реализовано в аппаратах вихревого слоя, в которых ферромагнитные тела движутся

1 Распоряжение Правительства РФ от 31.10.2022 г. №3268-р.

под воздействием вращающегося электромагнитного поля, соударяются с частицами обрабатываемого материала, что приводит к их разрушению и/или изменению поверхностных свойств. Аналогичные процессы происходят при обработке материала в других помольных агрегатах. Однако, в аппаратах вихревого слоя процессы механоактивации интенсифицируются за счёт комплексных физических воздействий от высоких локальных напряжений и электромагнитного поля.

Активация композиционных вяжущих и их смесей с различными добавками в аппаратах вихревого слоя при получении строительных материалов является перспективным и технологичным способом повышения энергоэффективности их производства. Ключевой научной проблемой, сдерживающей применение такого способа обработки материалов, является отсутствие достаточно полного описания процессов диспергирования и изменения поверхностных свойств обрабатываемого порошкообразного материала, оценки вклада в эти изменения свойств физических воздействий (электромагнитного поля, температуры, кинетической энергии ферромагнитных тел и др.), а также отсутствие закономерностей структурообразования активированных минеральных вяжущих или строительных материалов в присутствии активированных минеральных добавок. Решение указанной научной проблемы не только дополнит строительное материаловедение новыми знаниями, но и обеспечит получение композиционных строительных материалов с высокой технико-экономической эффективностью посредством снижения энергозатрат на их получение, что внесёт вклад в научно-технологическое развитие РФ.

Результаты, представленные в диссертационной работе, получены в период с 2014-2025 гг. в КГАСУ, в том числе поддержаны при выполнении молодёжных научных грантов и премий РТ (№10-50т/Г, 2014г.), стипендией Президента РФ молодым учёным (СП-1599.2015.1, 2015-2017гг.), грантом Президента РФ для государственной поддержки молодых российских учёных - кандидатов наук (МК-1643.2018.8, 2018-2019 гг.), программой «Старт» фонда содействия инновациям

(1450ГС1/22689, 2016-2017гг.), грантом РНФ (№24-29-00524, 2024-2025гг.), грантом молодым кандидатам наук (постдокторантам) АН РТ (№150/2024-ПД, 2025г.).

Степень разработанности темы. Научно-методологические и теоретические основы механоактивации вяжущих для получения композиционных строительных материалов отражены в трудах отечественных и зарубежных учёных: Батракова В.Г., Бикбау М.Я., Юдовича Б.Э., Гаркави М.С., Лесовика В.С., Строковой В.В., Рахимова Р.З., Селяева В.П., Хозина В.Г., Королева Е.В., Хинта Й., Болдырева В.В., Бутягина П.Ю., Кондращенко В.И., Низиной Т.А., Ильиной Л.В., Самченко С.В., Кривобородова Ю.Р., Явруян Х.С., Tkacova K., Balaz P., Kumar R., Takacs L., Sobolev К. и др.

Разработкой и применением в различных отраслях промышленности аппаратов вихревого слоя занимались Логвиненко Д.Д., Шеляков О.П., Селиверстов Г.В., Мамулат С.Л., Вершинин И.Н., Строганов В.Ф., Calus D, Polshchikov H., Xin Li, Ogonowski Sz. и др. Несмотря на значительный прогресс в исследованиях данной предметной области строительного материаловедения сохраняется необходимость систематизации знания по обработке компонентов в аппаратах вихревого слоя; необходимо отметить междисциплинарную разобщённость и разрозненность данных. Кроме того, разработка принципов механоактивации строительного гипса и строительной извести в аппаратах вихревого слоя и получение строительных материалов на их основе практически не рассматривались. Устранение этого пробела позволит создать достаточные предпосылки для широко внедрения в практику аппаратов вихревого слоя, применение которых будет способствовать повышению энергоэффективности производства строительных материалов на основе минеральных вяжущих.

Цель диссертационной работы: разработка научных основ и технологии получения строительных материалов, обладающих повышенными эксплуатационными свойствами и технико-экономической эффективностью

посредством механомагнитной активации композиционных вяжущих и их смесей с различными добавками в аппарате вихревого слоя.

Для достижения указанной цели решались следующие задачи:

1. Разработать теоретические основы и модели механомагнитной активации минеральных вяжущих в аппаратах вихревого слоя.

2. Определить влияние параметров и режимов работы аппарата вихревого слоя на свойства минеральных компонентов, применяемых для получения строительных материалов с повышенной технико-экономической эффективностью.

3. Установить закономерности структурообразования цементного, гипсового и известково-песчаного камня, полученных из компонентов, прошедших механомагнитную активацию.

4. Многокритериальной оптимизацией разработать составы композиционных строительных материалов на основе механомагнитно активированных минеральных вяжущих.

5. Установить механические и эксплуатационные характеристики разработанных композиционных материалов оптимальных составов.

6. Разработать рекомендации по проектированию составов и технологии изготовления изделий из строительных материалов на основе механомагнитноактивированных композиционных вяжущих. Провести апробацию и внедрение результатов исследований.

Научная гипотеза. Рациональное управление структурообразованием, интенсификацию гетерофазных процессов гидратации строительных материалов, обладающих заданными эксплуатационными свойствами и технико-экономической эффективностью, возможно обеспечить активированным веществом, образованным на поверхности частиц минеральных вяжущих и их смесей с различными добавками посредством механомагнитной обработки и способным активно влиять на процессы структурообразования строительных материалов.

Научная новизна работы состоит в решении научной проблемы получения композиционных строительных материалов с повышенными эксплуатационными свойствами и технико-экономической эффективностью посредством механомагнитной активации минеральных вяжущих и их смесей с различными добавками в аппарате вихревого слоя:

1. Предложена феноменологическая модель определения количества активированного вещества на поверхности частиц минеральных компонентов строительных материалов после механомагнитной активации. Модель основана на определении толщины слоя частицы, состоящего из активированного вещества с характерными структурными параметрами, равными размерам области когерентного рассеивания рентгеновского излучения. При этом суммарная площадь активированного вещества в разработанной модели принимается равной экспериментально установленной величине удельной поверхности, определяемой после механомагнитной обработки исследуемого минерального материала.

2. Установлен магнитопластический эффект для цементного камня, проявляющийся в снижении его прочности на 17-28 % и одновременном увеличении относительных деформаций на 51-65 % при воздействии магнитного поля индукцией 0,25±0,01 Тл. При этом энергозатраты на разрушение цементного камня при воздействии магнитного поля уменьшаются на 30-33 % в соответствии с теорией Mises - Hencky. Магнитопластический эффект визуально фиксируется на сканах берегов трещин цементного камня, исследованных с применением зондовой микроскопии: наблюдается не только изменение площади акта роста трещины (она кратно уменьшается), но и характера её образования (происходит формирование нескольких «ступенек», завершающиеся образованием площадки трещины).

3. Разработана физическая модель движения ферромагнитных тел в аппарате вихревого слоя, позволяющая определять траектории и распределение скоростей движения ферромагнитных тел в рабочей камере аппарата. Установлено наличие в рабочей камере аппарата вихревого слоя двух основных зон: 1) зона перемешивания, измельчения и активации поверхности частиц, в которой скорость

движения ферромагнитных тел составляет до 12 м/с; 2) зона интенсивного измельчения и активации поверхности частиц (интервал скоростей составляет 12 -50 м/с).

4. Предложено уравнение энергетического баланса процессов, протекающих в аппаратах вихревого слоя при обработке минеральных компонентов, позволяющее определить долю энергии, расходуемой на образование активированного вещества на поверхности частиц обрабатываемого материала. Установлено, что главными факторами, влияющими на разрушение частиц и механомагнитную активацию их поверхности являются: 1) величина магнитной индукции; 2) градиент магнитной индукции (частота переключения обмоток индуктора); 3) магнитная восприимчивость вещества обрабатываемого материала; 4) магнитопластический эффект, интенсивность которого снижается с ростом температуры разогрева материала в процессе механомагнитной активации.

5. Установлены особенности гидратации и структурообразования цементного камня, полученного механомагнитной активацией портландцемента, заключающиеся в увеличении скорости гидратации в 1,6-2,3 раза при температурах 22-80 °С, в снижении содержания С^ на 24,8 %, в значительном увеличении активности C2S, что подтверждено увеличением количества прогидратированного белита в первые сутки твердения в 6,2 раза (для активированного состава - 2,02 % и для контрольного состава - 0,32 %), к 28 суткам - в 1,6 раза (3,92 и 2,42 %, соответственно), в увеличении количества эттрингита, низкоосновных гидросиликатов и гидроалюминатов кальция. Показано что прочность продуктов гидратации цементного камня в составе, полученном из портландцемента, прошедшего механомагнитную обработку, выше, чем у контрольного состава в более 2,37 раза.

6. Установлено влияние механомагнитной активации строительного гипса (в-модификации) на его минералогический состав, заключающееся в уменьшении содержания CaSO4•0,5Н2О в 1,5 раза и в увеличении содержания растворимого ангидрита в 3,3 раза. Это изменение обуславливает увеличение приведённого

тепловыделения при гидратации механомагнитно активированного гипсового вяжущего на 47 %, сокращение его сроков схватывания на 2-10 мин, повышение прочности гипсового камня на 44-50 %.

7. Установлено влияние механомагнитной активации известково-песчаной смеси на параметры структуры и свойства искусственного камня, твердеющего в нормальных условиях, тепловлажностной и автоклавной обработке. Показано, что с увеличением фрактальной размерности структуры наблюдается снижение содержания портландита (на 22-49 %) и увеличение количества гидросиликатов кальция (на 197-248 % в зависимости от условий твердения), что приводит к снижению на 20-33 % пористости и росту на 80-144 % прочности известково-песчаного камня.

Теоретическая и практическая значимость работы. Дополнены и расширены теоретические представления о принципах управления структурообразованием композиционных строительных материалов, полученных механомагнитной активацией минеральных вяжущих и их смесей с различными добавками посредством получения новых знаний о структурообразовании цементного, гипсового и известково-песчаного камней и строительных материалов на их основе. Расширена область применения и уточнён термин механомагнитная активация - энергоэффективная обработка минеральных компонентов, находящихся в твёрдом агрегатном состоянии, приводящая к одновременному увеличению удельной поверхности и свободной поверхностной энергии в результате одновременного воздействия ударных нагрузок и электромагнитного поля величиной не менее 0,2 Тл. Введён термин: активированное вещество -вещество материала частицы минерального порошка, располагающееся на её поверхности, обладающее повышенным потенциалом свойств и способное активно влиять на структурообразование строительного материала.

Предложены технологические режимы, оптимальные составы и технологические схемы производства энергоэффективных материалов:

- конструкционных бетонов класса В50 морозостойкостью Fl600 и водонепроницаемостью W16 на основе механомагнитно активированного цемента;

- сухих строительных смесей напольных для выравнивающих слоёв (прослоек) в напольных покрытиях из композиционных механомагнитно активированных гипсовых вяжущих с плотностью гипсового камня на его основе -1610-1640 кг/м3; прочностью при сжатии - 23,0-25,5 МПа; прочностью при изгибе - 8,8-9,8 МПа; прочностью сцепления - 0,74-0,82 МПа; деформаций усадки - до 0,65 мм/м, класса прочности на сжатие - В15-В20, на растяжение при изгибе -В* 4,4-5,2;

- штукатурных растворов на известковом вяжущем подвижностью - ПК3, средней плотностью - 1550-1570 кг/м3 марки - М100, прочностью при сжатии -10,0-11,5 МПа и на растяжение при изгибе - 1,7-2,0 МПа, прочностью сцепления с основанием - 0,4-0,6 МПа.

Технико-экономическая эффективность при производстве бетонных смесей повышается до 20,4 %, при производстве сухих строительных смесей - до 11 %, при производстве штукатурных составов - до 22,2 %.

Методология и методы исследования. Общая концепция и методология работы базировались на системно-структурной методологии строительного материаловедения: теории гидратации дисперсных систем; закономерностях измельчения и активации дисперсных систем в помольных агрегатах. Разработка общих принципов механомагнитной активации в аппаратах вихревого слоя проводилась на двух структурных уровнях: «композиционное вяжущее» и «композиционный строительный материал». Для каждого структурного уровня определялось влияние управляющих рецептурных и технологических факторов. Влияние параметров механомагнитной активации определяли на первом структурном уровне, на втором структурном уровне установлено влияние границы раздела фаз на параметры структуры и свойства объекта исследования -строительного материала заданной области применения.

Определение параметров структуры и свойств исследуемых материалов проводили с применением стандартизированных и научных методов исследования по соответствующим методикам с привлечением современного испытательного и исследовательского оборудования.

Положения, выносимые на защиту:

• научные основы механомагнитной активации:

- уравнение энергетического баланса процессов, протекающих в аппаратах вихревого слоя при обработке минеральных компонентов;

- физическая модель движения ферромагнитных тел в рабочей камере аппарата вихревого слоя;

- условия разрушения частиц и образования активированного вещества на поверхности частиц;

- модель определения количества активированного вещества;

• технологические основы механомагнитной активации:

- экспериментально установленные зависимости влияния управляющих рецептурных и технологических факторов на структурообразование (состав, параметры структуры и свойства) гипсового, известкового и портландцементного камней, а также строительных материалов на их основе;

- оптимальные параметры работы аппарата вихревого слоя;

- составы и технологические режимы изготовления конструкционных бетонов, сухих строительных смесей напольных, штукатурных растворов. Результаты апробации.

Степень достоверности полученных результатов обусловлена системным и комплексным подходом для решения поставленных в диссертационной работе задач: анализом отечественной и зарубежной литературы; теоретическом обоснованием выдвигаемых положений; применением современных средств физико-химического анализа; достаточным количеством экспериментальных исследований с учётом доверительной вероятности, проведённых на аттестованном лабораторном оборудовании с применением действующей

нормативной литературы; апробацией основных положений исследований на конференциях различного уровня и положительной опытно-промышленной апробацией.

Апробация результатов работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на международных и всероссийских научно-практических конференциях: ежегодной международной научной конференции по проблемам архитектуры и строительства в КГАСУ (Казань, 2014-2024 гг.); международной научно-технической конференции «Высокопрочные цементные бетоны: технология, конструкции, экономика» (Казань, 2016); международном online конгрессе «Фундаментальные основы строительного материаловедения» (Белгород, 2017 г); международной научно-технической конференции «Строительство, архитектура и техносферная безопасность» (Челябинск, 2018); международной мультидисциплинарной конференции по промышленному инжинирингу и современным технологиям (Владивосток, 2018); всероссийской науч.-техн. конф., посвящ. 75-летию засл. деятеля науки РФ, акад. РААСН, д-ру техн. наук, проф. Селяеву В.П.(Саранск 2019); 3-9-й международной научно-практической конференции кафедр организационно-технологического и управленческого профиля (Москва, 20162024); XII международной научно-инновационной молодежной конференции «Современные твердофазные технологии: теория, практика и инновационный менеджмент» (Тамбов, 2020г); международной конференции по строительству, архитектуре и техносферной безопасности (Сочи, 2020); XI Академических чтениях РААСН - международной научно-технической конференции «Механика разрушения бетона, железобетона и других строительных материалов» (Саранск, 2020г.); IV международной научной конференции «Строительная механика, гидравлика и водное хозяйство» (Ташкент, 2022); международной научно-технической конференции «ИНТЕРСТР0ЙМЕХ-2022» (Ярославль, 2022); II международной научно-практической конференции, посвященной 100-летию со дня рождения профессора В.А. Афанасьева (Санкт-Петербург, 2023); 15-м

международном конгрессе по достижениям гражданского строительства (Фамагуста, Северный Кипр, 2023); III Всероссийской конференции «Строительное материаловедение: настоящее и будущее» (Москва, 2023); LXXVII-LXXVIII международной научно-практической конференции «Архитектура. Строительство. Транспорт. Экономика» (Санкт-Петербург, 2023, 2024); международной научно-практической конференции «Инженеры России и Беларуси» (Архангельск, 2024).

Основные положения диссертационной работы отмечены: Государственной премией Республики Татарстан им. В.Е. Алемасова (2020); дипломом РААСН в номинации лучший научный труд в области строительных наук (2020); дипломом лауреата Республиканского конкурса «Инженер года» (2022).

Внедрение результатов работы. Опытно-промышленная апробация получения конструкционных бетонов, сухих строительных смесей напольных из гипсовых вяжущих, штукатурных растворов из известкового вяжущего выполнена на предприятиях ООО «Стройдеталь» (г. Набережные Челны), ООО «РемСтройРесурс», ООО «СК «АРКОНТ», ООО ПСК «АК БАРС Строй» (г. Казань). Разработаны соответствующие технологические регламенты и технологические схемы производства.

Теоретические положения и результаты экспериментальных исследований диссертационной работы используются в образовательном процессе при подготовке студентов направлений: бакалавриата и магистратуры по направлению «Строительство», подготовке кадров высшей квалификации 08.06.01 - «Техника и технологии строительства», а также при выполнении элементов НИРС в выпускных квалификационных работах бакалавров и магистров и выполнении студенческих научно-исследовательских работ.

Публикации. Основные положения работы изложены в 80 публикациях, в том числе в 25 - в журналах, входящих в перечень рецензируемых научных изданий, рекомендованных ВАК РФ (из них 20 в журналах категории К1), в 9 работах в изданиях, индексируемых в базах данных Scopus и WOS, в том числе 10

публикаций, входящих в «Белый список» 1-го уровня; в 1 монографии; техническая новизна разработанных решений защищена 9 патентами РФ на изобретения.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из оглавления, введения, семи глав, заключения, списка литературы и трех приложений. Работа содержит 501 страницу печатного текста, в том числе 162 рисунка, 148 таблиц, список используемой литературы включает 375 источников.

Диссертационная работа отвечает следующим пунктам паспорта специальности 2.1.5. «Строительные материалы и изделия»: п. 5; п.9; п.15.

Автор выражает огромную благодарность научному консультанту д.т.н. Королеву Е.В. за внимание к работе и постоянную помощь при анализе проведённых исследований, д.т.н. Дебердееву Р.Я., д.т.н. Дебердееву Т.Р. за предоставление площадки для проведения исследований.

ГЛАВА 1. НАУЧНЫЕ ОСНОВЫ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ

КОМПОЗИЦИОННЫХ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ МЕХАНОМАГНИТНОЙ АКТИВАЦИЕЙ ВЯЖУЩЕГО

Повышение физико-механических свойств строительных композиционных материалов является актуальной задачей современного строительства. В соответствии с распоряжением Правительства РФ от 31 октября 2022 г. № 3268-р об утверждении стратегии развития строительной отрасли и жилищно-коммунального хозяйства РФ на период до 2030 г. с прогнозом до 2035 г. задачами стратегии являются формирование высокотехнологичных, конкурентоспособных отраслей строительства, минимизация негативного воздействия строительной отрасли на окружающую среду, а также сокращение продолжительности инвестиционно-строительного цикла не менее чем на 30 %.

Производство строительных материалов сопряжено со значительной эмиссией СО2. Совокупная доля вклада предприятий отрасли строительства и ЖКХ в формирование углеродного следа РФ составляет 441 млн. т СО2-эквивалента, или около 21 % общенационального баланса выбросов парниковых газов (таблица 1.1). Таблица 1.1 - Экологические аспекты производства минеральных вяжущих

Вид вяжущего Объем производства, млн. т. Энергоемкость, кг.у.т. Экология

в мире в РФ пр-во 1 т. всего,т СО2 пыль

т/т всего,т кг/т всего,т

Портланд цемент 4300 67 150 645106* 10,05106 0,866 5,6109 56106 21 1,36108 1,36106

Известь 67 7,9 204 13,67-106 1,63106 0,48 2,1108 5,3106 5 1,33106 5,5104

Гипс 160 2,25 47 7,52-106 10,58-104 - - - -

Примечание: над чертой - показатели с учетом мирового производства; под чертой - в РФ.

Так, на 1 т произведенного портландцемента приходится около 0,866 т выбросов СО2. В связи с ежегодно растущим производством минеральных вяжущих, становится очевидно, что сокращение выбросов углекислого газа является ключевым вопросом текущий исследований во всем мире (рисунок 1.1).

# # # # # # ^ ¿у ^ ^ ^ ^ ^ ^

Спрос на цемент ^^Прирост к предыдущему году

"О3'

мир • Китай • Россия

Рисунок 1.1 - Динамика выбросов СО2 и потребления портландцемента

Важным инструментом снижения удельного расхода СО2 является замещение клинкера. Однако желаемая высокая степень замещения клинкера противоречит практическим требованиям при строительстве. Например, цементы, богатые композиционным материалом, обычно имеют значительно сниженные свойства набора ранней прочности, а иногда и недостаточные прочностные свойства в проектном возрасте. Более низкая реакционная способность большинства композиционных материалов по сравнению с цементом без добавок может быть частично компенсирована соответствующим тонким измельчением клинкерной части или самого композиционного материала.

В некоторых областях промышленности и науки самые разнообразные материалы уже давно активируются методом высокоэнергетического измельчения. В отличие от обычного измельчения активационные свойства приписываются высокоэнергетическому измельчению, которое выходит за рамки простого

основе так называемой механохимической активации лежат структурные дефекты, порядок которых возрастает с увеличением энергии

измельчения. Что касается композиционных материалов, предполагается, что различные эффекты повышения реакционной способности возникают из-за высокого напряжения в точках контакта в процессе измельчения. Так, очень мелкие частицы, особенно известняка, могут служить поверхностями для роста продуктов реакции в процессе гидратации (гетерогенная нуклеация). Кроме того, эксплуатационные свойства таких материалов зависят от способов активации вяжущего, условий его структурообразования и гидратации.

Список литературы диссертационного исследования доктор наук Ибрагимов Руслан Абдирашитович, 2025 год

// v //

/У \

У 1\

1 1 3

50 100 150

NT , количество ферромагнитных тел

200

Рисунок 3.16 - Зависимость числа соударений от количества ферромагнитных тел: сплошной линией по формуле (3.6); пунктирной - по данным [113]

0

На рисунке 3.16 можно выделить участок 1-2, который характеризует увеличение количества соударений при росте числа ферромагнитных мелющих тел (до наступления насыщения рабочей камеры) и участок 2-3, на котором наблюдается уменьшение количества соударений в результате превышения числа ферромагнитных мелющих тел, соответствующего критическому коэффициенту заполнения рабочей камеры, вплоть до их полной остановки.

Предложенная формула (3.50) хорошо согласуется с опытными данными, полученными Д.Д. Логвиненко [113] при регистрации количества соударений с помощью специального датчика из титаната бария. Расхождение в результатах составляет менее 10 %. Очевидно, что при прочих равных условиях (после установления параметров, пригодных только для выбранного аппарата АВС) использование формул (3.49) и (3.50) для оценки эффективности ММА в АВС более удобно, чем использование системы уравнений (3.44).

При воздействии ферромагнитного мелющего тела весьма важными величинами являются сила удара, импульс силы и количество подведенной энергии. Эти величины целесообразно применять для оценки эффективности технологического оборудования соответствующей области применения. Сила удара мелющего тела F рассчитывается по формуле:

mv

F= — (3.51)

где m - масса мелющего тела; t - время между ударами измельчаемой частицы и мелющими телами. Импульс силы FP равен:

FP = Ftd (3.52)

где td - продолжительность измельчения до достижения одинаковой дисперсности.

Количества подведенной энергии Y на единицу массы измельчаемого материала зависит от энергонапряженности аппарата Jg и продолжительности ММА или измельчения:

y=]gtd (3.53)

Для АВС Jg можно представить в виде:

а

]9 = ск--%р (3.54)

Сравнительные данные различных аппаратов представлены в таблице 3.5. Таблица 3.5 - Величины F, FP и Y для различных аппаратов

Вид аппарата V, м/с td, с Сила удара, F, Н Импульс силы, FP, Нс Количество подведенной энергии Y, Дж/(кгс)

Шаровая мельница 0,1 7200 0,128 7,2 102 12,4

Планетарная мельница 6,68 2700 2,73 10-5 7,37-10-2 20

Виброистиратель 8,78 600 35,12 2,11104 29

АВС 8,41 300 168,1 5,04104 60

Из данных, представленных в таблице 3.5 видно, что наибольшее воздействие мелющих тел на дисперсную фазу происходит в АВС.

Так, наибольшая сила удара и импульс силы происходит в АВС. При этом количество подведенной энергии Y за указанное время измельчения в АВС в 2-4,8 раза выше, по сравнению с традиционными аппаратами. Отметим, что при максимальном количестве соударений достигается и максимальная сила удара между ферромагнитными телами. Для оценки количества подведенной энергии (Е) на единицу массы измельчаемого материала примем:

Е = СК ^ 2рь=]Л (3.55)

где Jg - удельная энергонапряженность аппарата, t - продолжительность активации. При оптимальных режимах работы АВС, энергонапряженность которого составляет 200 Вт/г, получим С = 55,56.

Получим зависимость времени измельчения от количества подведенной энергии на единицу массы измельчаемого материала и сравним с данными работы [137] (позиции 1-4 на рисунке 3.17).

л л5 ^

3 2

1

0,001 0,01 0,1

Время активации, час

1

10

Рисунок 3.17 - Зависимость времени активации от количества подведенной энергии: 1 - шаровая мельница; 2 - планетарная мельница; 3 - виброистиратель;

4 - дезинтегратор; 5 - АВС

Из рисунка 3.17 видно, что при одинаковом времени обработки количество подведенной энергии к измельчаемому веществу в АВС отличается на порядок, по сравнению с мельницами и дезинтеграторами.

Отметим, что при максимальном количестве соударений достигается и максимальная сила удара между ферромагнитными частицами. Следовательно, эффект измельчения минеральных вяжущих в АВС определяется в убывающей последовательности следующими факторами: 1) стесненный удар между двумя ферромагнитными частицами; 2) свободный удар измельчаемой частицы об ферромагнитную; 3) трение ферромагнитных частиц о боковую поверхность рабочей зоны АВС; 4) дополнительные силы, возникающие в результате электрических, акустических, ультразвуковых и др. эффектов.

Таким образом, варьируя количеством ферромагнитных частиц и их размером, временем обработки, при прочих равных условиях можно обеспечивать «мягкие» и «жесткие» режимы обработки измельчаемой среды в АВС.

3.2.1 Ударные воздействия при диспергировании в АВС

Механомагнитная активация - сложный физико-химический процесс, который зависит от большого числа управляющих параметров, оказывающих влияние на прочностные, деформативные, температурные и энергетические параметры состояния активируемого вещества. При этом важным элементом указанного процесса является скорость соударения мелющего тела об обрабатываемое вещество. В ряде информационных ресурсов приводятся сведения о критической скорости мелющих тел для получения в процессе удара дефектов - смещению атомов в кристаллической решетке: для угля - 12 м/с; для кварцевого песка - 34 м/с, для чугуна - 32 м/с, для германия - 123 м/с, для кремния - 332 м/с, для алмаза - 683 м/с. Эти данные получены в соответствии с предположением В.В. Болдырева о том, что механические нагрузки приводят к возбуждению колебаний атомов кристаллической решетки [239].

Также известно, что интенсивность (скорость) измельчения зависит от энергонапряженности аппарата. Чем выше энергонапряженность, тем выше скорость измельчения частиц обрабатываемого вещества. Однако, в научной литературе под понятием энергонапряженности встречается либо количество энергии, передаваемое аппарату при помоле, либо количество энергии на единицу объема помольной камеры. Под понятием энергонапряженность аппарата понимается количество энергии, передаваемое мелющими телами обрабатываемому веществу в единицу времени (Дж/(кгс)). Известно, что при ударе мелющего тела об обрабатываемый материал кинетическая энергия мелющего тела расходуется на энергию упругой деформации и нагрев при передаче кинетической энергии измельчаемым частицам материала.

При разрушении частицы кинетическая энергия мелющего тела дополнительно расходуется на энергию образования новой поверхности. При этом та часть энергии, переходящая в тепловую с преобразованием параметров структуры, будет являться мерой энтропии обрабатываемого вещества. Измельчение частиц в АВС

возможно как за счет свободного удара о ферромагнитный стержень, так и за счет стесненного удара между двумя ферромагнитными элементами.

Для того, чтобы частица разрушилась, необходимо приложить определенную кинетическую энергию к ней. Для однократного разрушения к частице необходимо приложить энергию, превышающую внутренние силы сцепления:

А > —; (3.56)

2Еу' 4 у

где А - величина кинетической энергии частицы; о - предел прочности частицы при сжатии; т - масса частицы; Е - модуль упругости вещества частицы; у - плотность материала частицы.

Потребляемая электрическая мощность АВС состоит и активной (Р) и реактивной (2) мощности. Именно активная мощность характеризует процесс преобразования электрической энергии в полезную. В данном случае активная мощность расходуется на образование вихревого электромагнитного слоя и движение ферромагнитных частиц, являющихся мелющими телами в аппарате вихревого слоя.

3.2.2. Определение зависимости расхода активной мощности от среднего

диаметра обрабатываемого материала

Известно, что на расход активной мощности АВС влияет количество и магнитные свойства ферромагнитных элементов в рабочей камере, при этом геометрические размеры ферромагнитных элементов имеют незначительное влияние, а обрабатываемая в рабочей камере дисперсная система не влияет на расход активной мощности [240]. В связи с этим научный и практический интерес представляет определение изменения потребляемой активной мощности АВС в зависимости от массы измельчаемого материала (рисунок 3.18). В данном случае использовали следующие параметры работы АВС, определенные в соответствии с [241]: частота вращения электромагнитного поля - 70 Гц; отношение диаметра ферромагнитных тел к их длине - 0,12; отношение массы ферромагнитных тел к массе измельчаемого материала - 0,4.

н

ра

Ы

Я н и о Я

э

о

4.3 4.1 3.9 3.7 3.5

в 3.3 О

Я

со S н a

« 2.7

Ч §

и «

Рм

3.1 2.9

2.5

50 100 150 200 250 300

Масса ферромагнитных тел, г

350

Рисунок 3.18 - Зависимость расхода активной мощности АВС от массы

ферромагнитных тел

0

Из рисунка 3.18 видно, что 2,64 кВт активной мощности тратится на создание вихревого слоя, а зависимость расхода активной мощности от массы ферромагнитных тел имеет линейный характер. При этом изменение массы измельчаемого материала не влияет на расход активной мощности.

Мера энергии, сообщаемая обрабатываемому материалу, называется удельной энергией обработки Еуд (Дж/кг) и по сути является в данном случае активной мощностью на единицу измельчаемого материала.

Проведены экспериментальные исследования по помолу кварцевого порошка в зависимости от сообщаемой удельной энергии измельчения, продолжительности измельчения при оптимальных параметрах работы АВС (рисунок 3.19). Удельная энергия измельчения варьировалась массой ферромагнитных элементов, масса измельчаемого материала оставалась постоянной.

Еуд = 8 (3.57)

где t - продолжительность измельчения; т - масса измельчаемого материала. Показатель D5o для исходного кварцевого порошка составил 234,6 мкм.

Удельная энергия измельчения, Еуд кДж/кг Рисунок 3.19 - Зависимость удельной энергии измельчения кварцевого порошка от среднего размера частиц

Из рисунка 3.19 видно, что удельная энергия измельчения экспоненциально возрастает с уменьшением показателя D50, что хорошо согласуется с данными Хо-дакова Г.С. [17], Хинта Й.А. [6], Хайнике Г. [125], Горлова Е.Г. [242]. Выпрямление участка кривой после 3000 кДж/кг свидетельствует возможно о существенном увеличении энергии, расходуемой на образование новых поверхностей.

3.2.3 Модель удара при обработке в АВС

Из-за малости размеров обрабатываемых в АВС частиц портландцемента невозможно с помощью стандартных экспериментальных методов определить их прочностные характеристики, а для крупных образцов будут проявляться известные масштабные эффекты. Поэтому эту проблему решили, используя подход, основанный на определении механических характеристик с помощью метода идентификации. Суть этого метода заключается в том, что из решения прямой задачи (расчет процесса удара частички о ферромагнитный стержень) при варьировании определяющих параметров обработки, подбираются механические характеристики так, чтобы численные и экспериментальные данные при обработке в АВС были

близки. Таким образом, формулируется задача о минимизации функционала квадратичной невязки между расчетными и экспериментальными данными.

В качестве экспериментальных данных рационально использовать зависимость среднего диаметра частиц портландцемента от продолжительности обработки в АВС, представленные в работе [243]. Полученные в [243] результаты, а также расчетные значения массы частиц и начальные значения прочности и модуля упругости портландцемента представлены в таблице 3.6. Таблица 3.6 - Экспериментальные и исходные данные для портландцемента

Продолжительность обработки, мин Средний размер частиц, мкм Масса, 10-18 кг R, МПа Е, МПа 10-3

— 5,15 ± 0,15 33436

1 4,61 ± 0,14 29865

2 4,25 ± 0,14 27593

3 3,89 ± 0,17 25255 40-60 30-36

4 3,56 ± 0,16 23113

5 3,47 ± 0,16 22528

8 3,17 ± 0,14 20581

Примечание: R - прочность; Е - модуль упругости.

Представленные в таблице 3.6 экспериментальные данные по изменению среднего диаметра частиц от продолжительности обработки в АВС хорошо описываются зависимостью:

g(£) = (3.58)

где a, b, c - эмпирические коэффициенты, физический смысл которых следующий: • при t ^ го (продолжительной обработке) зависимость d = f(t) будет равна:

lim а t = а, (3.59)

t^TO 1 -be ct v '

что соответствует минимальному среднему диаметру частиц, которые можно получить, то есть а = dmín;

• при t ^ 0 (при отсутствии обработки) очевидно, что средний диаметр частиц равен максимальному значению d = dmax, а зависимость равна:

lim—= ^ = dmax (3.60)

t^0 1-be_ct 1+Ь max v '

Отсюда коэффициент Ь равен:

^ _ &тах _ ^^

&тах &тах

(3.61)

то есть равен относительному изменению среднего диаметра частиц в процессе обработки. По экспериментальным данным, представленным в таблице 3.6, определяются значения эмпирических коэффициентов, с учетом которых и обоснований из формул (3.59)-(3.62) формулу (3.58) преобразуем к виду:

2,64

({€) _

(3.62)

1-0,49е~с^

где с - коэффициент интенсивности (скорости) изменения диаметра частиц при обработке (для данных таблицы 3.6 значение с = 0,141 мкм/мин).

Для нахождения прочностных характеристик рассмотрим задачу удара частицы о мелющее тело, функции которого в АВС выполняют ферромагнитные стержни (рисунок 3.20).

Для решения указанной задачи примем:

1. Частицы обрабатываемого материала имеют сферическую форму, материал частицы является хрупким телом.

2. Размер ферромагнитного стержня значительно больше частицы, поэтому удар о стержень происходит как о плоскость.

На первом этапе модуль упругости частицы портландцемента равен модулю упругости тяжелого бетона (это допущение возможно, если считать, что предел прочности частицы в предельном состоянии не зависит от модуля упругости).

Методика определения прочностных характеристик заключается в

Рисунок 3.20 - Модель удара

следующем.

частички о ферромагнитный стержень

Из эксперимента известно, что при заданных параметрах работы АВС через некоторое время ^ах частицы обрабатываемого материалабольше не измельчаются и достигают минимального размера ^тт. Это означает, что для дальнейшего измельчения недостаточно энергии разрушения при заданной скорости и массе частицы. Отсюда можно принять, что максимальные напряжения, возникающие в частице не больше предела ее прочности на сжатие а£ж:

]((тт) ^ ]Сж (3.63)

Тогда это напряжение можно принять равным пределу прочности аСЖ.

Для решения прямой задачи удара частицы материала использовался метод конечных элементов. На рисунке 3.21 приведена конечно-элементная модель. Слева моделируется часть ферромагнитного стержня, который считается жестко закрепленным, а измельчаемой частице задается начальная скорость движения v0.

Для определения НДС системы «частица - ферромагнитный стержень» использовался программный комплекс Ansys, в котором моделировался процесс удара во времени.

При этом учитывалась геометрическая нелинейность, область удара частицы о ферромагнитный стержень моделировалась контактными элементами, соотношения между деформациями и напряжениями в первом приближении считались линейными. Для разрушения частиц нанометрового диапазона в соответствии с [199-203] необходимо прикладывать значительную по величине энергию, что не всегда вызывает определенный положительный эффект.

При расчете НДС были приняты исходные данные, представленные в таблице 3.6. Средний размер частиц после измельчения получали по данным лазерного

Рисунок 3.21 - Конечно-элементная модель

анализатора. По известной плотности измельчаемого материала определяли массу частиц. Прочность при сжатии и модуль упругости были приняты из табличных данных по строительным материалам. Проводились расчеты удара частицы измельчаемого материала с разными диаметрами и определялось максимальное сжимающее напряжение ]сж. На рисунке 3.22 представлена картина напряженного состояния в момент удара частицы о ферромагнитный стержень, в которой приведена верхняя половина области.

Результаты расчетов максимальных напряжений в момент удара частицы об ферромагнитный стержень приведены на рисунке 3.23, зависимость максимальных сжимающих напряжений от среднего диаметра частиц приведена в таблице 3.7.

Рисунок 3.22 - Картина напряженного состояния в момент удара частички о ферромагнитный стержень (половина области)

Таблица 3.7 - Зависимость максимальных напряжений от среднего диаметра частиц обрабатываемого материала

Средний размер частиц, мкм Максимальные сжимающие напряжения, МПа

2 181

4 324

6 459

8 498

500 400

« 300

с

^

Ь 200 100 0

1 2 3 4 5 6 7 8

с), мкм

Рисунок 3.23 - Влияние диаметра частицы портландцемента на максимальное напряжение при ударе По рисунку 3.23 можно определить предел прочности на сжатие частицы портландцемента Яь, если принять, что при достижении диаметра критической величины й = йт'П частичка перестает разрушаться. Тогда предел прочности на сжатие равен 237 МПа. Проведено исследование влияния размеров ферромагнитного тела на НДС измельчаемой частицы, а также зависимость влияния количества конечных элементов на сходимость полученного решения. Анализ результатов показал, что для сходимости результатов расчета НДС минимальная толщина ферромагнитного тела должна быть не менее диаметра измельчаемой частицы.

3.2.4. Определение влияния скорости измельчения от диаметра частиц

Проведены численные эксперименты при разных скоростях удара частиц измельчаемого материала о ферромагнитный стержень. Для этого задавалась скорость удара и с учетом полученных выше результатов для предела прочности частиц портландцемента подбирался диаметр частиц таким образом, чтобы выполнялось условие равенства предела прочности частички и максимального сжимающего напряжения, т.е.:

о(й) = Яь. (3.64)

Под критическим диаметром будем принимать минимальный диаметр частицы, при котором не происходит ее разрушение при заданной скорости ее движения. Проведены численные эксперименты при разных скоростях удара частиц портландцемента и определены критические диаметры частиц, до которых они будут измельчаться при заданной скорости помола. На рисунке 3.24 приведены результаты этих исследований.

Полученные результаты хорошо описываются функцией, по виду соответствующей формуле (3.58) при следующих значениях коэффициентов: а = 9,110-3 мкм; Ь = 1,0; с = 8,1410-4 мкмс/м. В соответствии с физическим обоснованием минимальный диаметр частицы портландцемента, который может быть достигнут составляет (т'П = 9 нм. Из формулы (3.58) следует также, что эффективность измельчения с ростом скорости движения ферримагнитных тел снижается:

(1(1(0)

асе

-сд

(1 - е-сдУ

(3.65)

— аргох

Рисунок 3.24 - Влияние скорости движения ферромагнитных тел на критический диаметр частиц портландцемента

При установлении требования по скорости изменения диаметра частиц:

(((0)

(0

>£>0,

(3.66)

требуемое значение скорости может быть вычислено по формуле:

Oc = -i,n(l + ff(l-J7TÍ)), (3.67)

из которой можно определить эффективную скорость, при которой наблюдается наиболее существенное изменение диаметра частиц (таблица 3.8). Таблица 3.8 - Требуемая скорость движения ферромагнитных тел

Значение s, %

1,0 5,0 10,0 15,0 20,0

0С, м/с 28,84 12,93 9,15 7,47 6,47

Таким образом, из данных таблицы 3.8 видно, что при скоростях движения ферромагнитных частиц менее 6 м/с происходит наиболее эффективное измельчение обрабатываемого материала. Однако, увеличение скорости движения ферромагнитных частиц повышает их кинетическую энергию, но при этом наблюдается снижение эффективности измельчения. Поэтому поиск оптимальных параметров механомагнитной активации необходимо проводить используя как скорость движения мелющих тел, так и скорость изменения диаметра измельчаемых частиц.

Таким образом, получена зависимость влияния массы ферромагнитных тел на расход активной мощности АВС. Увеличение массы мелющих элементов влечет за собою и увеличение расхода активной мощности аппарата, при этом масса измельчаемого материала не влияет на расход активной мощности. На образование вихревого слоя в аппарате тратится 2,64 кВт.

3.2.5. Механизмы разрушения минеральных частиц и кинетические характеристики ферромагнитных тел в АВС

Исследованиями ударных процессов, в результате которых помимо упругих деформаций присутствуют и пластические деформации занимались в работах [244246]. В представлениях современной физики с высокими плотностями энергии тер-

модинамические свойства вещества при ударных воздействиях проявляются в новых качественных эффектах (ударных волн разрежения, многоволновых структурах, ударных волн разрежения и др.) [242]. Деформация кристаллов во время ударных воздействий возможна только за счет движущихся дислокаций [247]. Имеется возможность получения активированного дисперсного сырья путем «подведения» определенного соотношения внутренней и внешней энергии к системе [248]. В большинстве случае используют термин «энергонапряженность мельницы» - количество энергии, передаваемое мелющими телами порошку в единицу времени, оценка которой возможна только косвенными методами [249-252].

Для решения задачи по оптимизации режимов работы аппаратов вихревого слоя необходимо определить уравнение движения мелющих тел в рабочей камере аппарата. Впервые к этой задаче приблизился Логвиненко Д.Д. [113], показав трехмерное уравнение движения мелющих тел. Darшsz С. [197] установил детерминированную связь между средним числом ударов жерновов и средней величиной импульса ударов измельчаемого материала, рассчитанными с помощью математического моделирования процесса помола (уравнениями Лагранжа). В работах [197198], получены выражения для электромагнитных усилий, действующих в магнитном поле на элементарные ферромагнитные тела с целью выработки рекомендаций по выбору аппаратов. Польщиков Г.А. [121, 253] показал, что в круговом поле цилиндрического индуктора модуль магнитной силы смещения не зависит от ориентации магнитного момента ферромагнитного тела. Решение задачи поиска математической модели движения ферромагнитных тел в электромагнитном поле (ЭМП) исследователи решают применением методов компьютерного моделирования [254255].

Несмотря на применение АВС в различных областях характеристики процессов, протекающих в рабочей зоне аппарата, требуют дальнейшего изучения, что позволит повысить эффективность режимов обработки материалов. Общая задача описания измельчения рабочих тел в среде АВС должна включать:

- описание электромагнитного поля для реальной установки;

- модель движения ферромагнитных тел в электромагнитном поле с характеристиками рассматриваемого АВС;

- модель разрушения частицы обрабатываемого материала при импульсном воздействии ферромагнитных тел.

Описание экспериментальных данных и электромагнитного поля

При обработке материалов АВС был оснащён ферромагнитными телами цилиндрической формы со следующими характеристиками: длина - L = 21 мм, диаметр - D=2.5 мм, материал ферромагнитного тела - сталь, плотность - рр =7874 кг/м3. Объём и масса ферромагнитного тела составляют Vp = 1.03 10-7 м3 и тр = 8 10-4 кг, соответственно. Аппарат вихревого слоя содержит цилиндрическую рабочую камеру радиуса г0 (рисунок 3.25). Число пар полюсов магнитного поля (p) в электродвигателях может варьироваться от 1 до 4. В принятом для исследования АВС p = 2. Магнитная постоянная ¡л0 = 1.256 10-6 Н/А2. Справочное значение намагниченности насыщения железа Js = 2.041012 А/м. Магнитный момент Мр, действующий на ферромагнитное тело составит: Мр = ]svp = 2.1 • 10# Ам2.

Поскольку общий объём всех ферромагнитных тел составляет около 1 % от объёма рабочей камеры, то их влиянием на магнитное поле индуктора можно пренебречь. При таком допущении возможно определить электромагнитное поле в полярных координатах (r, &) в аналитическом виде [198-199], здесь & - полярный угол. Вращающееся магнитное поле определяется линейной плотностью тока:

] = ]msin(^t-pO), (3.68)

где Jm - амплитудное значение линейной плотности тока; ю - круговая частота, 1/с (ш=2ж£ где f - частота вращения ЭМП, Гц); t - время, с; р - число пар полюсов

Рисунок 3.25 - Описание магнитного

поля в полярных координатах: 1 - индуктор; 2 - обмотка; 3 - стенка рабо-

магнитного поля. Система координат выбрана таким образом, что полюс полярных координат размещён на оси индуктора (в центре расточки индуктора), а полярная ось пересекает поверхность расточки индуктора в точке, в которой J = 0 при t = 0. Граничные условия для индукции магнитного поля записываются в виде [199]:

В0д = Воят^-рОУ, В0 = (3.69)

где В0а - тангенциальная составляющая магнитной индукции на поверхности расточки индуктора, Во - амплитудное значение тангенциальной составляющей магнитной индукции. Из решения краевой задачи для напряженности плоскопараллельного квазистационарного магнитного поля в [197-198] получены выражения для радиальной Вг и тангенциальной В$ составляющих вектора В магнитной индукции как функции полярных координат (г, 3):

( т\Р-1 / т\Р-1

Вг = Во( — ) ^(М-рОУ, Вд = Во( — ) Бт(М-рО). (3.70)

то то

Результаты исследований

Векторное поле (3.69) для различного числа пар полюсов показано на рисунке 3.26. Для случая одного полюсар = 1 вектор магнитной индукции 13 в каждый момент времени одинаков во всех точках рабочей камеры и ЭМП является однородным. Как было отмечено в [198], для повышения эффективности перемешивания порошкообразного рабочего материала рекомендуется использовать двухполюсный индуктор с р = 2. В таком индукторе обеспечивается более равномерное распределение ферромагнитных тел по всему объёму рабочей камеры АВС. В случае многополюсных индукторов р = 3 и р = 4 возрастает влияние сил магнитного притяжения, и в центре рабочей камеры ферромагнитные тела почти отсутствуют.

Зависимости В$ от угла 3 для различных значений Т = т/то и Вг от Т для трёх углов 3 при Jm = 0.120•Ю6 А/м представлены на рисунке 3.27. Из рисунков 3.26 и 3.27 видно, что значения В$ и Вг выше вблизи стенок рабочей камеры АВС.

Р=1

Векторное поле индукции В(гДе1),

40

20

-20

-40

г^7^

/ V \ ^ ч ^ V \ ' ' ' / V » < / / А.

■V V ч \ ' 1 ' / ' Vм ' / ' М * 4 ч ' > \ ** \ ¿Г \ _

"ж /" ч > /

\ ✓ ж- V ' У Ч / ' 1 1 г 4_ 7-

' / К ' 4 V Ч /ч

/ ' ' ' ■-1----- 'ч

-40

-20

0

Х,ММ

20

40

Р=3

Векторное поле индукции В(г,1е1:), Т

40

-40

1

у \ ^ \ " ^ ч 1 У — / ✓ _ 1 У А " 1

у(\ 1 ^ ч > — ^

Д// /' ' ) . г

V . 1 ч Л4-г-; Vх _ ^ - У ( ^ ~ \ ^ ~ \ N ~~

р=2

Векторное поле индукции В(гДе1), Т

40

20

-20

-40

^ т ^^ Г / , — V. . / , л-'

/\ \ V 1 . ш 7 \/

/4 / > V 4 /

/ / 1 * '. » >-. 1 ч ' Ч - ' * ''V ч

/ (' Ж \ У\ \

V \ "т 1 .--;----^

-40 -20 0 20 40 Х,ММ

р=4

Векторное поле индукции В(гЛе1), Т

40

20

-20

-40

1 /

// ~_ \ 1 ' - н

/ д\ Ь , ; чч » /Л

\Л \ / ' ' \ 4 \ ,' 4 ч V/

V У К / 1 ч " /Л '/1

I Ч

-40 -20 0 20 40 Х,ММ

-40 -20 0 20 40 Х,ММ

Рисунок 3.26 - Векторное поле индукции магнитного поля внутри рабочей

камеры аппарата при различном числе пар полюсов

9, рад г

Рисунок 3.27 - Зависимости В^ (Г, О) и Вг(г, О)

Уравнение движения ферромагнитного тела

Для описания движения ферромагнитных тел применяются уравнения для координат положения или скорости частиц и угловой скорости их вращения. В первом приближении будем пренебрегать цилиндрической формой ферромагнитных тел и запишем уравнение движения сферической ферромагнитного тела под действием магнитной силы ~т без учёта аэродинамического сопротивления:

йУ _

где У — скорость ферромагнитного тела; тр - масса ферромагнитного тела. Выражение для магнитной силы общем виде представится как [249]:

1Г = ХЖурв grad В, (3.72)

где Ур - объём ферромагнитного тела, м3; Худ - удельная магнитная восприимчивость вещества ферромагнитного тела, м3/кг; В - индукция магнитного поля, Тл; grad В - градиент индукции магнитного поля.

В общем случае, движение ферромагнитных тел происходит в неоднородном по радиусу и углу магнитном поле (3.70). В предположении, что учитывается только радиальная неоднородность индукции магнитного поля запишем векторное уравнение (3.71) в виде:

йрг Рт йг

— = —, — = уг. (3 73)

й£ тр М \ • /

Перейдя от переменной время t к независимой переменной радиус г, уравнения (3.73) можно записать в виде одного уравнения:

(3.74)

йг тр

Решение (3.74) даёт зависимость скорости частицы Уг от радиуса г

Уг = 02 ~тХ/тр. (3.75)

Для расчёта скорости ферромагнитных тел по формуле (3.75) определим градиент индукции магнитного поля из экспериментальной кривой (рисунок 3.9). Па-

дение величины магнитной индукции от стенок до центра камеры можно представить в виде линейной функции. Тогда скорость изменения индукции магнитного поля вдоль координаты г можно вычислить:

йВ До-Дт-0 024-020 Тл

огааВ = —~-0=-= 0.67—, (3.76)

а йг г0 0,06 м 4 '

где В0, Вго - величина магнитной индукции в центре рабочей камеры и на его стенках. Удельная магнитная восприимчивость Худ представляется как:

Худ = Гр, (3.77)

где х - магнитная восприимчивость вещества ферромагнитного тела; Рр - плотность вещества ферромагнитного тела, кг/м3.

Магнитная восприимчивость вещества х рассчитывается как отношение намагниченности Js вещества к напряжённости Н электрического поля:

Х = |, (3.78)

Напряжённость электрического поля связаны с магнитной индукцией формулой:

_ 1 _

Н = —В. (3.79)

Для величины индукции магнитного поля В = 0.22 Тл величина составит Н = 1.75 105 А/м. Окончательно величина магнитной восприимчивости с учётом представленных характеристик равна:

Худ = 1.48 • 10[. (3.80)

Сила магнитного поля, действующая на ферромагнитное тело, будет равна:

Тт" = Х^УрВgradВ = 17.89 Н. (3.81)

№о

В работе [113] такая характеристика не оценивалась, но определялась максимальная сила удара ферромагнитного тела с помощью датчиков из титаната бария. По данным указанной работы сила удара ферромагнитного тела варьируется в диапазоне 20-90 Н в зависимости от соотношения размеров ферромагнитного тела и их количества в рабочей камере АВС.

На рисунке 3.28 приведено распределение скорости ферромагнитного тела по радиусу для различных градиентов индукции магнитного поля. Вариант В2 соответствует распределению индукции магнитного поля В=0.22 Тл, варианты В1 и В3 соответствуют величинам В0 = 0.15 Тл и В0 = 0.28 Тл.

70 60 50-

и 40

г"

^30 20 10 0

1 - В1 ---В2 ..... ВЗ

• У • ' ___

'¿Г

0.0000 0.0025 0.0050 0.0075 0.0100 0.0125 0.0150 0.0175 0.0200 1,С

0.00 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 Г, М

Рисунок 3.28 - Распределение скорости ферромагнитного тела по радиусу для различных градиентов индукции магнитного поля; зависимость ферромагнитного тела от времени

Результаты, представленные на рисунке 3.28, демонстрируют, что скорости ферромагнитных тел достигают величин 50 м/c ближе к краю рабочей камеры АВС. Время движения частиц от центра рабочей камеры до стенки и возврат в её центр составляет примерно 0.005 с, а скорость частицы во время удара о стенку рабочей камеры может достигать 50 м/с. Следует отметить, что полученные величины скоростей получены при без учёта влияния аэродинамического сопротивления среды движению ферромагнитных частиц. В случае их движения в незаполненной камере сопротивление воздушной среды, в целом, пренебрежимо мало по сравнению с магнитной силой. Для заполненной обрабатываемым материалом камеры такое сопротивление может оказаться заметным. Траектория движения ферримагнитных тел показана на рисунке 3.29.

Результаты анализа обработки материала в АВС

Ферромагнитные тела под действием магнитной силы перемещаются с высокой скоростью в рабочем объёме АВС, соударяясь с частицами обрабатываемого материала. В результате эти частицы начинают движение сталкиваясь как друг с другом, так и с ферромагнитными телами, а также со стенкой рабочей камеры АВС. Часть из соударений приводит к разрушению (дроблению) частиц обрабатываемого материала. С ростом количества соударений растёт число раздробленных частиц [256]. Кроме того, взаимодействие как частиц между собой, так и их столкновение с ферромагнитными телами приводит к преобразованию структуры и свойств поверхностного слоя частиц обрабатываемого материала, которые отличаются от начального их состояния. Такое преобразованное вещество, способное влиять на структурообразование строительного материала в начальный период получило наименование активированного вещества. Количество соударений между всеми объектами (частицы обрабатываемого материала и ферромагнитные тела) находящимися в рабочей камере АВС за заданный период обработки весьма велико.

Из общей совокупности соударений можно провести оценку числа соударений, приводимых к дроблению частиц обрабатываемого материала. Для этого рассмотрим модель разделения частицы на п частей (п > 1). При этом верным является условие равенства объёмов частицы и её частей:

-g(0)3 = п-й(^)3 = n2 — d(t2)3 = - = nm — d(tm)3 = const, (3.82)

6 6 6 6

где g(0) - начальный диаметр частицы; ¿(tj) - диаметр частиц после обработки материала продолжительностью t j.

Каждый этап разрушения частицы на п частей назовём циклом распада. Через F циклов распада диаметр частицы будет равен:

¿(J = g(0)/nJ/3, (3.83)

а площадь поверхности образовавшихся частиц -

= nkd(tk)2 = -¿(0)2nJ/3, (3.84)

где 5(0) = —¿(0)2 - начальная площадь поверхности частицы.

Из последнего уравнения можно определить количество циклов распада частиц к моменту времени t j:

F(t') = 3 1п(П) (3.85)

Количество соударений, приведшие к разрушению частиц можно оценить по формуле:

Pde5t(ti) = P/(0)nk(4 (3.86)

где Р/(0) - начальное количество частиц обрабатываемого материала, равное:

w'(0)=¿Эь* (387)

здесь rn^ и р- - масса и плотность обрабатываемого материала.

На нескольких временных шагах работы АВС tj определяется удельная поверхность обрабатываемого материала 5(tj) по методу Блейна. По экспериментальным данным изменения удельной поверхности портландцемента от продолжительности обработки в АВС получена зависимость вида:

5yfl(t) = 619(1 - e(-o,n7t°-608)). (3.88)

На основе полученных значений 5уд(с) рассчитаны значения &(с). Зависимость ^(^(с)) для различных значений п представлена на рисунке 3.30. Видно, что количество циклов распада частиц портландцемента, рассчитанное по формуле (3.85), не является целым числом. Это указывает на то, что рассчитываемое по экспериментальным данным величина &(с) характеризует средневзвешенное значение этой величины. Отсюда можно величину &(с) представить в виде:

ад = ад^ + (1 + ад2)ц - ад, (3.89)

где ^(с)^ - ближайшее минимальное целое число циклов распадов; 5^ - доля частиц. Так, из данных рисунка 3.30 следует, что при количестве частей, на которые дробится частица портландцемента п = 2 количество циклов распада незначительно превышает &(с) = 2,1. Отсюда, доля частиц портландцемента, раздробившихся = 2 раз равна:

5^ = (1 + ад2) - ад = 90 %, (3.90)

а оставшаяся доля частиц (10 %) раздробилась более двух раз.Аналогично можно произвести расчёт для других величин п. Естественно, что с ростом п - количества частей, на которые разрушается частица портландцемента - количество его частиц, дробящихся один раз (^(с)^ = 1) возрастает. Так, при п = 3 доля частиц, разрушенных один раз, равна 5^ = 67,5 %, а при п = 4 - 5^ = 95 %.

5(t), м2/кг

Рисунок 3.30 - Зависимость количества циклов распада обрабатываемых частиц

от удельной поверхности для различных n

На рисунке 3.31 приведены нормированные N = P(g/)/P/(0) распределения частиц по размерам порошка портландцемента до обработки (t = 0) и после 8 мин обработки АВС, полученные ранее. Наблюдается не только количественное, но и качественное различие между распределениями. Начальное одномодальное распределение обрабатываемого материала трансформируется в бимодальное. Это означает, что измельченные частицы разделяются на две различные группы со своими модами. Наряду с группой частиц более крупных частиц появляется отдельная группа сильно измельченных частиц. Такой характер измельчения определяется силой воздействия ферромагнитных тел на частицы портландцемента, которая в свою очередь зависит от их скорости. Из приведенного на рисунке 3.40 распределения скоростей ферромагнитных тел можно сделать вывод, что наибольшие скорости, а следовательно, наибольший распад части частиц портландцемента, ожидаются в кольцевой зоне рабочей камеры, расположенной вблизи её стенок. Наибольшие тангенциальные градиенты индукции магнитного поля также ожидаются ближе к границам рабочей камеры (рисунок 3.27). На рисунке 3.31 также дано теоретическое распределение, полученное из начального экспериментального в результате применения половинного дробления частиц (n = 2) портландцемента за два цикла распада F(t)z = 2. Видно, что такая модель достаточно хорошо описывает распределение измельченных частиц в первой группе более крупных частиц. Т.е. теоретическая модель половинного дробления вполне может быть применима для приближенного описания процесса измельчения в АВС. В то же время предложенная модель дробления не позволяет получить вторую группу сильно измельченных, число распадов которых F(t)z > 2 . Кроме этого, необходимо отметить, что предложенная модель дробления частиц основана на представлении частиц сферическими. Для реальных частиц соотношение площади поверхности к её объёму больше, чем для частиц сферической формы (5/7 = 6/g).

Рисунок 3.31 - Распределение частиц по размерам порошка портландцемента

Наряду с неизвестным заранее количеством частей после отдельного дробления важным вопросом является определение критического диаметра частиц портландцемента, ниже которого их разрушение не будет происходить. Ранее в п.3.2.4 определялось влияние скорости движения ферромагнитного тела на величину диаметра частиц портландцемента, при котором происходит их разрушение. Было установлено, что при скорости движения ферромагнитного тела ~6 м/с критический диаметр портландцемента составляет ~2 мкм, и ~0.19 мкм при скорости ~50 м/с. Указанные величины согласуются с данными, представленными на рисунке 3.24, где минимальный диаметр измельчённой частицы портландцемента составляет ~ 0.1 мкм. Вместе с тем, из рис.8 видно, что частицы портландцемента диаметром ~1.0 мкм соответствуют границе перехода от группы более мелких измельченных частиц к группе более крупных. Эта граница согласуется со скоростью ферромагнитных тел ~ 12 м/с.

Эту величину скорости можно использовать для оценки доли столкновений, приводимых к разрушению частиц. Количество столкновений, приводимых к разрушению частиц портландцемента, является величиной постоянной, не зависящей от п. Так, по экспериментальным данным (формула (3.88)):

= 5-79 • 1012. (3.91)

Расчёт проводить будем только в отношении частиц портландцемента (количество ферромагнитных тел не учитываются). Предположим, что все частицы портландцемента размещены в пространстве рабочей камеры АСВ равномерно. В этом случае среднее расстояния между центрами частиц будет равно:

1/3

1-6У*с 6 , (3.92)

где - объём рабочей камеры.

Указанное расстояние (геометрическими размерами частиц пренебрегаем) частица преодолеет за время, равное: Ьсг = Н/0сг (здесь 0сг - критическая скорость; принято дсг = 12 м/с). Также примем, что только часть частиц участвуют в столкновениях. Доля таких частиц равна ы < 1. Частота столкновений будет обратно пропорциональная Ьсг, а количество столкновений пропорционально количеству частиц, участвующих в столкновениях. Отсюда общее количество столкновений за время обработки Ь' будет равно:

.ВД*-.

РсгыРДоУ^' (393)

= Н

Используя полученную формулу, а также формулу (3.86) определим долю столкновений, которые приводят к разрушению частиц:

р<е*Ы 1 1 6КуС 61/3 (3 94)

Оценки показывают, что даже при ы = 0.001% доля столкновений, приводимых к разрушению частиц незначительна и составляет е(Ь') = 0.02 %. С увеличением количества сталкивающихся частиц (доли ы) эффективность процесса разру-

шения (е(ь)) снижается, так как величина возрастает, а количество столкно-

вений, приводящих к разрушению частиц остаётся неизменной. Так, при

возрастании ы = 0.01 % эффективность столкновений снижается на порядок

е(Ь) = 0.002 %.

Отсюда можно определить как основные функции ферромагнитных тел, так и основные механизмы разрушения и активации частиц обрабатываемого материала в АВС. В рабочей камере АВС в смеси, состоящей из ферромагнитных тел и частиц обрабатываемого материала, возможны следующие виды взаимодействий:

1) ферромагнитное тело - частица обрабатываемого материала;

2) частица обрабатываемого материала - частица обрабатываемого материала;

3) частица обрабатываемого материала - стенка рабочей камеры АВС

4) ферромагнитное тело - ферромагнитное тело;

5) ферромагнитное тело - стенка рабочей камеры АВС;

Из представленных видов взаимодействий только первые три приводят к разрушению и изменению поверхностных свойств частиц обрабатываемого материала (активации частиц). Характеристикой, являющейся критерием разделения процессов разрушения и активации частиц, является скорость ферромагнитных тел.

Таким образом можно заключить, что ферромагнитные тела под действием магнитной силы перемещаются с скоростью в широком диапазоне значений - от 0 до 50 м/с и приводят в движение частицы обрабатываемого материала и вызывают их разрушение. На основе полученных результатов можно предположить наличие двух основных зон измельчения минеральных компонентов в рабочей камере АВС:

1) зона перемешивания, измельчения и активации частиц, в которой интервал движения ферромагнитных тел составляет 0 - 12 м/с, где происходит формирование измельченных частиц первой группы с диаметрами более 1,0 мкм;

2) зона интенсивного измельчения и активации частиц (интервал скоростей ферромагнитных тел составляет 12 - 50 м/с).

При этом площадь первой зоны составляет 10,4 % от всей площади рабочей камеры (рисунок 3.32).

зона интенсивного

измельчения и активации

и

О

тах

Рисунок 3.32 - Зонирование рабочей камеры АВС

Отметим также, что значительная часть столкновений приводит к физическим процессам нагрева, теплового излучения и преобразования вещества поверхностного слоя в активированное вещество. С уменьшением размера частиц обрабатываемого материала вероятность их разрушения при столкновении будет снижаться из-за уменьшения их массы и роста прочности.

Ключевой задачей использования АВС в реальном секторе промышленности является оптимизация его эффективности обработки порошковых материалов. Из полученных результатов и результатов предыдущих исследований [257-258] определим основные факторы, влияющие на эффективность обработки минеральных порошковых материалов. На процесс дробления и активации частиц основное влияние оказывает величина магнитной силы, пропорциональная величине индукции магнитного поля и его градиента. Обе величины относятся к характеристикам электромагнитного поля и могут быть оптимизированы выбором типа АВС и управлением его параметрами. При этом обработка минерального материала в АВС включает два взаимосвязанных аспекта:

1) механический аспект - приведение в движение ферромагнитных тел и их влияние на частицы обрабатываемого материала, а также виды взаимодействий

ферромагнитных тел, частиц обрабатываемого материала и стенки рабочей камеры АВС. Выбор размера, формы и концентрации ферромагнитных тел в рабочей камере влияет на частоту их столкновений с частицами обрабатываемого материала и эффективность их дробления и активации, а следовательно, на продолжительность обработки;

2) магнитопластический аспект - эффект положительного влияния электромагнитного поля на снижение прочностных и деформативных свойств обрабатываемого материала [257]. Этот эффект зависит от свойств обрабатываемого материала и температуры его разогрева, повышающейся в процессе работы АВС. С ростом магнитной восприимчивости вещества обрабатываемого материала эффективность обработки - дробления и активации частиц - возрастает.

3.3 Влияние ЭМП на прочность цементного камня

Проведены испытания цилиндрических образцов на осевое растяжение как без воздействия электромагнитного поля, так и при воздействии электромагнитного поля (рисунок 3.33). Электромагнитное поле генерировалось экспериментальной катушкой, представленной в п. 2.5.1. Результаты испытаний цилиндрических образцов на осевое растяжение представлены в таблице 3.9.

В таблице 3.9 Rыl и Rы2 - прочность на осевое растяжение образцов 1 типа (длиной 300 мм и диаметром 46 мм) без воздействия и при воздействии электромагнитного поля, создаваемого катушкой соответственно; Rbt3 и Rbt4 - прочность на осевое растяжение образцов 2 типа (длиной 241 мм и диаметром 37 мм) без воздействия и при воздействии электромагнитного поля, создаваемого катушкой соответственно; Fn - разрывное усилие. На рисунках 3.34 и 3.35 представлены усредненные диаграммы «напряжение - относительные деформации».

Данные таблицы 3.9 демонстрируют, что воздействие электромагнитного поля приводит к снижению прочности при осевом растяжении. Причём с уменьшением площади сечения образцов влияние электромагнитного поля более значительно. Так, для образцов типа .№1 (диаметр 46 мм) воздействие электромагнитного

поля приводит к снижению прочности на осевое растяжение на 17 %, а для образцов типа №2 (диаметр 37 мм) - на 28 %. Сопоставление величин снижения прочности на осевое растяжение с соотношением площадей сечения образцов, указанных типов, S1/S2=1,55 позволяет предположить, что влияние электромагнитного поля локализуется в поверхностных слоях образцов.

Таблица 3.9 - Результаты испытаний образцов на осевое растяжение

№ п/п Fl, кН Rbtl, МРа F2, кН Rbt2, МРа № п/п Fз, кН Rbtз, МРа F4, кН Rbt4, МРа

1 1,93 1,16 0,72 0,43 31 0,96 0,89 0,46 0,43

2 1,88 1,13 0,77 0,46 32 0,99 0,92 0,44 0,41

3 1,95 1,17 0,75 0,45 33 0,94 0,87 0,39 0,37

4 1,88 1,13 0,76 0,46 34 1,01 0,94 0,42 0,39

5 1,91 1,15 0,77 0,47 35 0,83 0,77 0,35 0,33

6 1,86 1,12 0,76 0,45 36 0,91 0,85 0,38 0,35

7 1,86 1,12 0,78 0,47 37 0,84 0,79 0,34 0,32

8 1,86 1,12 0,75 0,45 38 0,80 0,74 0,38 0,35

9 1,86 1,12 0,80 0,48 39 0,85 0,79 0,41 0,38