Обоснование и разработка способа дезинтеграции минеральных частиц цемента с целью его активации и ресурсосбережения в подземном строительстве

Актуальность исследования. Развитие строительной индустрии является стратегической задачей для любой страны. Особо актуальной эта задача является в связи с активным освоением в последние годы подземного пространства мегаполисов. Строительство шахтных стволов, тоннелей, подземных сооружений при освоении подземного пространства мегаполисов в скальных породах зачастую сопряжено с наличием в них высоконапорных подземных вод. Даже незначительный приток подземных вод при подземном строительстве вызывает большие проблемы. Одним из перспективных способов предотвращения водопритока при подземном строительстве является цементация трещиноватых скальных пород.

Кроме предотвращения водопритока цементация трещиноватых водонасыщенных пород позволяет повысить степень устойчивости подземных сооружений.

Задачами строительства подземных сооружений в России активно занимаются видные ученые Н. С. Булычёв, Б. А. Картозия, Г. А. Катков, Д. В. Картузов, A.B. Корчак, В. Е. Меркин, А. Н. Панкратенко, А. Г. Протосеня, Б. И. Федунец, Г. С. Франкевич, A.A. Шилин, М. Н. Шуплик и др.

Прочность и надежность подземных бетонных и железобетонных сооружений зависят от марки применяемого цемента. В России производится в основном цемент марок ПЦ400, ПЦ500, ПЦ600. Цемент марки ПЦ400 используют главным образом в гражданском и промышленном строительстве. Более высокомарочные цементы применяются при строительстве объектов атомной энергетики, в гидротехническом и подземном строительстве.

В среднем энергоемкость производства цемента в России составляет около 40 кВт-ч/т. Таким образом, в настоящее время для производства годового объема цемента в России (прогнозно это около 50 млн. тонн) затрачивается примерно 50−106−40=2−109 кВт-ч электроэнергии. В денежном выражении эти энергозатраты составляют примерно 2−109кВт-ч-2,5 руб/кВт-ч~5−109 руб.

Из приведенных выше цифр следует, что в России производство цемента, особенно высокомарочного, является очень энергозатратным и дорогостоящим процессом. Во всем мире за последние десятилетия большое внимание уделяется вопросу повышения марочности цемента за счет его активации различными способами и техническими средствами.

Вопросами производства и промышленного применения активированных цементов занимались такие известные советские ученые, как Ю. М. Бутт, С. М. Рояк, Г. М. Рущук, Б. Г. Скрамтаев, М. И. Стрелков, А. Е. Шейкин, В. Н. Юнг и многие другие.

Активность цемента зависит от множества факторов. Основным фактором, влияющим на активность цемента, являются показатели удельной поверхности его минеральных частиц. Чем выше эти показатели, тем выше активность цемента.

Увеличение удельной поверхности минеральных частиц цемента при их Л дезинтеграции всего на 2,8% (с 283 до 291 м /кг) повышает его активность на 5%.

Увеличение активности цемента на 5% позволяет получать строительные растворы и бетоны, прочность которых в первые сутки нормального твердения увеличивается до 45%.

Таким образом, относительно небольшое увеличение активности цемента дает ощутимый прирост прочности бетонных и железобетонных конструкций в подземном строительстве.

Для решения задачи активации минеральных частиц цемента при их дезинтеграции необходимо знать физику и энергетику процесса разрушения минералов и горных пород под действием различных физических полей. Вопросами разрушения горных пород и минералов в России занимаются ученые: В. В. Адушкин, В. А. Белин, С. Д. Викторов, С. А. Гончаров, О. М. Гридин, А. П. Дмитриев, С. Н. Журков, В. М. Закалинский, М. Г. Зильбершмидт, H.H. Казаков, Г. Г. Каркашадзе, Г. М. Крюков, Б. Н. Кутузов, В. Ф. Нистратов, А. И. Потапов, Ю. И. Протасов, Н. Я. Репин, В. П. Тарасенко, С. Е. Чирков и др.

Для активации цемента применяют измельчители — дезинтеграторы, для которых характерны большая энергоемкость и себестоимость активации.

Так, расход электроэнергии, затрачиваемой на 5% -ную активацию одной тонны цемента измельчителем — дезинтегратором, составляет 4,3 кВт-ч/т.

Еще одним действенным способом увеличения активности цемента без существенного изменения его дисперсности является изменение формы минеральных зёрен цемента при его помоле. Так, минеральные частицы цемента осколочной формы с острыми углами и сильно развитой конфигурацией взаимодействует с водой более интенсивно, чем минеральные частицы цемента округлённой, галькообразной формы.

Соответственно, и скорость твердения портландцемента с осколочной формой минеральных частиц выше, чем с округлённой. Получение минеральных частиц осколочной формы проблематично для существующей техники измельчения цемента.

Из вышеизложенного следует, что тема диссертационной работы «Обоснование и разработка способа дезинтеграции минеральных частиц цемента с целью его активации и ресурсосбережения в подземном строительстве» является актуальной.

Цель диссертационного исследования заключается в разработке способа активации цемента на основе его малоэнергоемкой импульсной электромагнитной обработки, обеспечивающей разрушение частиц цемента за счет растягивающих и сдвиговых напряжений, получение цементных частиц осколочной (рваной) формы с высокой удельной поверхностью, что, в свою очередь, обеспечивает высокую адгезионную активность бетонной смеси при набрызгбетонировании, повышение прочности подземных бетонных (железобетонных) конструкций и качество цементации трещиноватых водонасыщенных скальных пород в подземном строительстве.

Идея работы заключается в активации низкомарочных типов цемента для получения более высокомарочных путем их импульсной электромагнитной обработки перед изготовлением на их основе цементационного раствора, а также железобетонных конструкций и набрызгбетона в подземном строительстве.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Установлена аналитическая зависимость изменения электростатического потенциала минеральных частиц цемента от их размера.

2. Изучен механизм разрушения минеральных частиц цемента под действием импульсного электромагнитного поля. При этом установлено, что напряженность электрического поля должна быть порядка (1-г2)-105 В/м.

3. Установлено, что адгезия минеральных частиц цемента в бетонных растворах с бетонной поверхностью осуществляется за счет капиллярной и электростатической составляющих. В момент нанесения раствора на бетонную поверхность капиллярная составляющая адгезии равна (0,1-г0,2)-105 Па. Электростатическая составляющая адгезии в этот момент равна (4-^5)-105 Па. По мере схватывания бетона капиллярная составляющая стремится к нулю, а электростатическая — к величине (24-г25)-105 Па.

4. Экспериментально установлено, что активация цемента за счет дезинтеграции минеральных частиц при импульсной электромагнитной обработке позволяет увеличить его удельную поверхность: для цемента ПЦ 400 на 21%, для цемента ПЦ 500 — на 13%. Импульсная электромагнитная обработка позволяет повысить выход цементного камня для цемента ПЦ 400 на 12,7%, а для цемента ПЦ 500 — на 10%. При этом прочность пескоцементных образцов, изготовленных на основе активированного цемента, увеличивается. Для образцов на основе цемента марки ПЦ 400 это увеличение составляет примерно 20%, для изделий на основе цемента марки ПЦ 500 — до 6%, для образцов на основе цемента марки ПЦ 600 — З-И-%.

5. Экспериментально установлено, что активация цемента за счет дезинтеграции минеральных частиц при импульсной электромагнитной обработке позволяет увеличить адгезию пескоцементных образцов с бетонной поверхностью на 28-е сутки на 14% для ПЦ 400, на 11% - для ПЦ 500 и на 3,3% - для ПЦ 600.

Увеличение адгезии пескоцементного раствора, изготовленного на основе цемента подвергнутого импульсной электромагнитной обработке, с бетонной поверхностью при набрызгбетонировании в подземном строительстве составляет: для ПЦ 400−9,1%, для ПЦ 500- 5%, для ПЦ 600 — 4,6%.

Обоснованность и достоверность полученных результатов подтверждаются:

— использованием фундаментальных законов о строении кристаллической решетки минералов, основ механики разрушения горных пород и законов электродинамики;

— использованием стандартных методов и оборудования для экспериментального определения прочностных и адгезионных свойств пескоцементных образцов и растворов;

— необходимым и достаточным количеством проведенных экспериментов.

Новизна исследований: впервые установлено, что минеральные частицы при дезинтеграции изменяют свой электростатический потенциалвпервые изучен механизм дезинтеграции минеральных частиц под действием импульсного электромагнитного полявпервые изучен механизм капиллярной и электростатической составляющих адгезии пескоцементных растворов к бетонной поверхности.

Научное значение работы заключается: в установлении закономерности изменения электростатического потенциала минеральных частиц в зависимости от их размера при дезинтеграциив теоретическом обосновании механизма разрушения минеральных частиц цемента под действием импульсного электромагнитного поляв установлении закономерности увеличения удельной поверхности цемента при его импульсной электромагнитной обработкев установлении закономерностей изменения капиллярной и электростатической составляющих адгезии минеральных частиц цемента между собой и с бетонной поверхностью, при набрызгбетонировании в подземном строительстве.

Практическое значение работы состоит в разработке способа активации цемента под действием импульсного электромагнитного поля, позволяющего обеспечить приготовление цементационных растворов на основе низкомарочных и, естественно, более дешевых цементов, увеличить прочность бетонных и железобетонных изделий на его основе, увеличить адгезию бетонных растворов к бетонной поверхности при набрызгбетонировании подземных сооружений и качество цементации трещиноватых водонасыщенных скальных пород в подземном строительстве.

Реализация выводов и рекомендаций работы. Разработана инструкция по применению ресурсосберегающей технологии изготовления бетонных растворов, а также предложена технология цементации трещиноватых водонасыщенных скальных пород в подземном строительстве на основе низкомарочных цементов при их импульсной электромагнитной обработке.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались на международной конференции «Неделя горняка» в МГГУ в январе 2011 года и на научном семинаре кафедры «Строительство подземных сооружений и шахт» МГГУ.

Публикации. Основные положения диссертационной работы опубликованы в 7 статьях в изданиях, входящих в перечень ВАК Минобрнауки России.

Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4-х глав и заключения, содержит 29 рисунков, 23 таблицы, список литературы из 140 источников и 5 приложений.

4.10 Выводы по главе 4.

1. При ИЭМО цемента увеличивается удельная поверхность его частиц за счет их разрушения растягивающими напряжениями. С увеличением количества импульсов удельная поверхность цемента увеличивается по экспоненциальному закону, примерно на 21% для ПЦ 400, на 13% для ПЦ 500 и завершается ее увеличение при 6-г9 импульсах.

2. Импульсная электромагнитная обработка цемента с напряженностью электрического поля (1-г1,5)-105 В/м позволяет увеличить прочность пескоцементных образцов, изготовленных на его основе. Максимальный прирост прочности экспериментальных образцов наблюдается на 3 и 7 сутки затвердевания. Для экспериментальных образцов на основе цемента марки ПЦ 400 этот прирост по сравнению с контрольными образцами на 3 и 7 сутки составляет 20-^25%, для образцов на основе цемента марки ПЦ 500, этот прирост состовляет 15-г20%, а для образцов на основе цемента марки ПЦ 600 — 124−15%.

На 28 сутки затвердевания прирост прочности экспериментальных образцов на основе цемента марки ПЦ 400 составляет, по сравнению с контрольными образцами примерно 20%, для образцов на основе цемента марки ПЦ 500 прирост составляет до 6%, а для образцов на основе цемента марки ПЦ 600 — 3-г4%.

3. Увеличение адгезии экспериментальных образцов, изготовленных на основе цемента марки ПЦ 400 в день его ИЭМО по сравнению с контрольными образцами составляет:

— после 3-х суток затвердевания в среднем 26,3%;

— после 7-ми суток — 32,3%;

— после 28-ми суток — 14%.

Для образцов на основе цемента марки ПЦ 500 указанное увеличение адгезии составляет:

— после 3-х суток затвердевания в среднем 9.5%;

— после 7-ми суток — 16.5%;

— после 28-ми суток — 11.3%.

Для образцов на основе цемента марки ПЦ 600 указанное увеличение адгезии составляет:

— после 3-х суток затвердевания в среднем 4%;

— после 7-ми суток — 2,5%;

— после 28-ми суток — 3,3%.

4. Увеличение адгезии экспериментальных образцов, изготовленных на основе цемента марки ПЦ 400 спустя 72 часа после его ИЭМО по сравнению с контрольными образцами, составляет:

— после 3-х суток затвердевания в среднем 27,5%;

— после 7-ми суток — 32%;

— после 28-ми суток — 11.5%.

Для образцов на основе цемента марки ПЦ 500 указанное увеличение адгезии составляет:

— после 3-х суток затвердевания в среднем 10,7%;

— после 7-ми суток — 14,2%;

— после 28-ми суток — 7,9%.

Для образцов на основе цемента марки ПЦ 600 адгезия экспериментальных и контрольных образцов практически одинакова.

Анализ приведенных цифр свидетельствует о том, что максимальное увеличение адгезии экспериментальных пескоцементных образцов к бетонной поверхности по сравнению с адгезией контрольных образцов наблюдается после 7 суток затвердевания.

5. Разработана и создана экспериментальная установка для определения адгезии пескоцементного раствора к бетонной поверхности.

6. Адгезия экспериментального раствора, изготовленного на основе цемента марки ПЦ 400 и обработанного ИЭМО в день его замеса, по сравнению с контрольным раствором увеличивается в среднем на 9,1%, а увеличения адгезии экспериментального раствора на основе цемента марки ПЦ 400 спустя 72 часа после его ИЭМО в среднем составляет 7,1%.

Увеличение адгезии экспериментального раствора изготовленного на основе цемента марки ПЦ 500, по сравнению с контрольным раствором составляет в среднем 5%, а для раствора, изготовленного на основе цемента марки ПЦ 600 — 4,64%.

Заключение

.

Диссертация является научно — квалификационной работой, в которой содержится решение актуальной задачи обоснования и разработки ресурсосберегающего способа активации цемента путем дезинтеграции его частиц при импульсной электромагнитной обработке, позволяющем увеличить его удельную поверхность и тем самым улучшить качество цементации трещиноватых водонасыщенных скальных пород, и повысить адгезию растворов на его основе при набрызгбетонировании в подземном строительстве, прочность и надежность подземных сооружений. Основные научные выводы и практические результаты, полученные автором, заключаются в следующем:

1. Установлены аналитические зависимости изменения положительного заряда катионов и отрицательного заряда анионов основных частиц, составляющих фазы цемента (8Ю2, СаО и Ре203), в зависимости от их размеров.

При увеличении размера частиц цемента от нано до 0,02+0,03 мкм отношение отрицательного заряда анионов к положительному заряду катионов резко уменьшается.

Для СаО это отношение уменьшается от 8 до 2, для Ре2Оз от 4 до 1,222, для 8Ю2 от 2 до 0,166. При дальнейшем увеличении размеров частиц цемента указанные отношения остаются практически постоянными.

2. При импульсной электромагнитной обработке цемента (ИЭМО) его частицы 8Ю2, имеющие на поверхности микротрещины, будут разрушаться под действием растягивающих напряжений на острие микротрещин при напряженности электрического поля порядка (1+2)Т05 В/м. Так как все остальные частицы, входящие в состав цемента, имеют предел прочности на растяжение меньше чем у 8Ю2, то при указанной напряженности электрического поля они также разрушатся, что приведет к активации цемента за счет диспергирования его частиц и увеличения удельной поверхности.

3. Получены аналитические зависимости для оценки капиллярной и электростатической составляющих адгезии цементных растворов в момент их нанесения на бетонную поверхность и на конец их твердения. В момент нанесения раствора на бетонную поверхность капиллярная составляющая адгезии примерно равна (0,1+0,15)Т05 Па, а электростатическая — порядка (4+4,5)-10″ 5 Па. На конец твердения бетонного раствора капиллярная составляющая адгезии к бетонной поверхности стремится к нулю, а электростатическая к величине (24+25)-105 Па.

4. Проведены экспериментальные исследования по влиянию ИЭМО цемента на увеличение его удельной поверхности и изменеие выхода цементного камня при различных значениях водоцементного отношения, а так же на прочность и адгезию пескоцементных образцов к бетонной поверхности на 3, 7 и 28 сутки. Увеличение удельной поверхности цемента при его ИЭМО составляет: для ПЦ 400 — 21%, для ПЦ 500 — 13%. Увеличение выхода цементного камня после ИЭМО цемента максимально при водоцементном отношении равном 2 и равно: для ПЦ 400 — 12,7%, для ПЦ 500−10%.

Прочность пескоцементных экспериментальных образцов на 28 сутки по сравнению с контрольными увеличивается: для образцов на основе ПЦ400 примерно на 20%, на основе ПЦ500 на 6%, на основе ПЦ600 на 3,5%.

Адгезия, экспериментальных пескоцементных образцов к бетонной поверхности при замесе раствора в день ИЭМО цемента по сравнению с контрольными на 28 сутки увеличивается: для образцов на основе ПЦ400 на 14%, на основе ПЦ500 на 11%, на основе ПЦ600 на 3,3%.

Адгезия экспериментальных образцов к бетонной поверхности при замесе раствора по истечению 72 часов после ИЭМО цемента по сравнению с контрольными образцами на 28 сутки составляет: для образцов на основе цемента ПЦ400 — 11,5%, для образцов на основе ПЦ500−7,9%, для образцов на основе ПЦ600 увеличение адгезии практически не наблюдается.

Увеличение адгезии экспериментального раствора при его нанесении на бетонную поверхность по сравнению с контрольным раствором составляет: для раствора на основе ПЦ400 -9,1%, на основе ПЦ500−5%, на основе ПЦ600−4,6%.

5. Разработана инструкция по импульсной электромагнитной обработке низкомарочного цемента с целью приготовления на его основе бетонных растворов, обеспечивающих повышение прочности бетонных и железобетонных конструкций подземных сооружений.

Предложена технология цементации трещиноватых водонасыщенных скальных пород на основе низкомарочного цемента, подвергнутого импульсной электромагнитной обработке.