Одним из ярких представителей помольных устройств класса "Измель- читель-активатор" является дезинтегратор – высокоскоростная ударная мельница, которая с обычным помолом инициирует механохимические процессы, увеличивающие реакционную способность материалов, в том числе и минеральных.
Зная процессы, происходящие при изготовлении золоцементного вяжущего, инженер может легко организовать технологию его производства. Это и обуславливает исключительную важность учебного пособия, где авторами предпринята попытка определить возможные направления для повышения эффективности процесса механоактивации золоцементных материалов.
1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ, ОПРЕДЕЛЕНИЯ И ТЕРМИНЫ
Технология – наука о процессах и способах производства. Физико-химическая механика – область знаний, основанная акаде-
миком П.А. Ребиндером, изучает механические свойства материалов, являющиеся следствием физико-химических процессов.
Механохимия – область знания, которая занимается изучением физических свойств тел и материалов при их разрушении.
Активация – процессы, ускоряющие химические реакции. Механоактивация – очень сложный, многоступенчатый процесс из-
менения энергетического состояния материала в условиях подвода механической энергии. В ее основе лежит изменение реакционной способности твердых тел под воздействием механических сил. Осуществление активационных процессов происходит за счет энергии напряженного состояния измельчаемого материала, энергии упругих и пластических деформации.
Адсорбция – физико-химический процесс перемешивания молекул (ионов) из объема жидкости или газа на поверхность тела или другой жидкости (адсорбента) под действием сил притяжения, которыми эта поверхность обладает. Природа адсорбционных сил многообразна: а) физическая адсорбция – обусловлена возникновением вандерваальсовой силы межмолекулярного притяжения и электростатическим притяжением разноименно заряженных молекул адсорбента и адсорбата б) хемосорбция – обусловлена возникновением валентных сил, возникающих при обмене электронами между молекулами (ионами) адсорбента и адсорбата с образованием химических связей.
Адгезия – прочность сцепления вяжущего (клея) со смачиваемой им поверхностью. Обусловлена физико-химическим взаимодействием вяжущего и поверхности (электростатическим, валентным, а также межмолекулярными, вандерваальсовыми силами притяжения).
Когезия – собственная прочность вяжущего как клея. Обусловлена его
вязкостью, толщиной слоя или пленки, степенью ориентации молекул в них, адгезионным взаимодействием вяжущего со смачиваемой им поверхностью.
Аутогезия – взаимодействие между частицами, определяет статическое и динамическое состояния порошков, их способность течь, условия внутреннего трения и сдвига, возможность сводообразования и зависания, истечение из отверстий, слеживаемость при хранении и ряд других явлений, от которых зависит использование порошкообразных материалов.
Диспергирование – изменение, как макро-, так и микросвойств твердого тела при механическом его нагружении.
Удар – явление, при котором за малый промежуток времени, почти мгновенно изменяется кинематическое состояние механической системы контактирующих тел (происходит мгновенное преобразование механической энергии и возникают ударные импульсы в точках контактирования тел). Удар называется абсолютно упругим, если скорости до и после удара равны. Удар называется абсолютно неупругим, если скорость точки после удара равна нулю. В случае, когда отношение скоростей после и до удара находится от 0 до 1, то удар называют упругим.
Механоактивированное золоцементное вяжущее – неорганическое вяжущее вещество совместного помола цемента и наполнителя (золы).
Наполнители – порошкообразные материалы, частицы которых соизмеримы с частицами вяжущего вещества. Наполнители совместно с вяжущим веществом участвуют в формировании микроструктуры матричной части и контактных зон в конгломератах. Обладая огромным потенциалом поверхностной энергии, наполнители становятся активными компонентами при отвердевании вяжущих веществ в процессе формирования структуры и свойств материала.
Укрепление грунтов – комплекс строительных операций по внесению вяжущих и других веществ, обеспечивающих существенное изменение свойств грунтов с приданием им требуемой прочности, деформативности, водо- и морозостойкости.
2. ОСОБЕННОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ЗОЛОШЛАКОВЫХ ОТХОДОВ В ДОРОЖНОМ СТРОИТЕЛЬСТВЕ
2.1. Перспективы использования ЗШО ТЭЦ
Мощное развитие электроэнергии в нашей стране, в первую очередь, основанной на применении твердых видов топлива, предопределило образование огромного количества попутных продуктов – зол и шлаков, занимающих тысячи гектаров пахотной земли. Только в Омской области за год ожидается прирост зол и шлаков от омских ТЭЦ-2, ТЭЦ-4, ТЭЦ-5 около 2,3–2,6 млн т /1/. Необходимо отметить, что использование в народном хо-
зяйстве России только ежегодных выходов ЗШО порядка 45 млн т позволит тепловой энергетике значительно уменьшить капитальные затраты на строительство и эксплуатационные расходы на содержание золоотвалов ТЭС и тем самым снизить себестоимость электрической и тепловой энергии. Немалую прибыль получают и предприятия-потребители этих побочных продуктов ТЭС. Вместе с тем необходимость полного использования зол и шлаков диктуется особо важными природоохранительными требованиями, изложенными в "Основах законодательства России о недрах", а также в Законе России "Об охране атмосферного воздуха". Так, организация золошлакоотвалов отрицательно отражается на продуктивности тех земель, где они размещаются. Атмосферный воздух в местах золоотвалов в летнее время обогащен пылевыми частицами, разносимыми ветром на значительные расстояния и отрицательно отражающимися на санитарногигиеническом режиме окружающей природы и условиях жизни населения.
Возможность осуществления крупномасштабных мероприятий по применению зол и шлаков в строительстве обеспечивается результатами многочисленных исследований, технико-экономическими разработками, проектными материалами, технологическими указаниями, нормативами по оценке свойств зол и шлаков и пригодности их для использования в разных случаях строительства. Разработаны также ГОСТы, ОСТы и технические условия на многие материалы и изделия из зол и шлаков. Из зол и шлаков возможно производство почти всей гаммы строительных материалов, изделий и конструкций, необходимых при возведении жилых зданий, объектов промышленного, сельскохозяйственного назначения, гидротехнических, дорожных и т.п. сооружений (рис. 2.1).
Рассматривая проблемы использования золошлаковых отходов из отвалов омских ТЭЦ при строительстве автомобильных дорог и других объектов, необходимо указать, что строительство автомобильных дорог требует расходования больших объемов дорожно-строительных материалов – грунта, щебня, песка, минеральных и органических вяжущих. Так, на строительство 1 км дороги в среднем расходуется 20–25 тыс. м3 грунта (в плотном теле), 2,5–3 тыс. м3 щебня, примерно столько же песка, 1 000–1 400 т асфальтобетона или 1 500–1 800 м3 бетона. Если учесть, что в области в ближайшие три года намечается ежегодно строить в среднем по 400 км дорог с твердым покрытием и, кроме того, осуществлять реконструкцию и ремонт существующих дорог, то годовая потребность в основных дорожно-строительных материалах ориентировочно составит: грунта – около 10 млн м3, щебня и песка – по 1,1–1,3 млн м3, асфальтобетона – 0,4– 0,6 млн т.
Использование естественного грунта из боковых или сосредоточенных резервов (карьеров) для сооружения насыпей автомобильных дорог связа-
но с исключением значительных площадей земли из сельскохозяйственного пользования, изменением естественного рельефа местности, учитывая, что рекультивация карьеров производится только в границах выработанного пространства и с изменением гидрогеологических условий территории. Это в конечном итоге ведет к нарушению экологического равновесия в районе строительства дороги.
Дороговизна других перечисленных дорожно-строительных материалов, зачастую дальнепривозных, при недостатке денежных средств сдерживает темпы строительства, реконструкции и ремонта автомобильных дорог, что ухудшает условия эксплуатации автотранспорта, затрудняет грузоперевозки и наносит ущерб экономике области.
Весьма эффективно использование золошлаковых смесей (ЗШС) гидроудаления из отвалов ТЭС для устройства различных укреплённых конструктивных слоев дорожных одежд.
Так, ЗШС с добавкой 4–6 % цемента или 3–5 % извести нашли широкое применение при устройстве оснований автомобильных дорог. Известно применение в основаниях автомобильных дорог и неукрепленных ЗШС, а также смесей с добавкой 25–50 % щебня.
Исследования, выполненные в своё время в СоюздорНИИ и его филиалах, ГипродорНИИ, СибАДИ и других исследовательских организациях, позволили разработать более рациональные методы использования ЗШС при укреплении некоторых видов грунтов. Доказано, что наиболее эффективно использование этих отходов после гидроудаления совместно с цементом при укреплении песчаных, супесчаных, а также крупнообломочных грунтов неоптимального состава. При этом было установлено, что эти отходы участвуют не только в физико-химическом взаимодействии с поверхностью грунта, но и одновременно способствуют заполнению межзерновых пустот грунта, что приводит к снижению пористости и увеличению плотности укреплённого материала. Отходы ТЭС, выполняющие роль гранулометрической добавки, должны содержать частиц размером менее 0,071 мм не более 60 % и частиц крупнее 2 мм не более 5,0 %. При укреплении песчаного грунта 4–6% цемента и 20–40 % золошлаковой смеси (по массе смеси) для супесчаного грунта количество цемента 6–7 % и золы 20– 30 %.
При оптимальном соотношении этих отходов и портландцемента материал приобретает высокий коэффициент морозостойкости (порядка 0,85– 0,94 %).
Исследования, выполненные в ГипродорНИИ, указывают на эффективность укрепления песчаных грунтов комплексными минеральными вяжущими веществами, например золоизвестковоцементными. В этом случае уверенно получают материал 2-го класса прочности.
Широкое применение в дорожном строительстве получили отвальные
золошлаковые смеси Украины. Их использовали на строительстве дорог в качестве самостоятельного материала, в смесях со щебнем, гравием и с различными грунтами в укреплённом и неукреплённом виде. Из неукреплённых ЗШС устраивались подстилающие и нижние слои оснований на дорогах областного и местного значения.