СПОСОБ ОБРАБОТКИ СТРОИТЕЛЬНОГО МАТЕРИАЛА Российский патент 1997 года по МПК C04B40/00 C04B18/26 

Изобретение относится к промышленности производства строительных материалов, в частности к технологическим процессам производства изделий на основе древесно-цементных композиций, преимущественно арболита.

Важными задачами технологии производства арболита являются ускорение процесса гидратации при одновременном увеличении количества прореагировавших частиц вяжущего.

Известен способ ускорения твердения арболита путем тепловой обработки за счет электроразогрева переменным электрическим током [1] Недостаток способа
отсутствие увеличения прочности изделий как в ранние сроки, так и в 28-суточном возрасте.

Известен способ ускорения процесса гидратации смеси путем пропускания импульсного, знакопеременного постоянного тока частотой 1 2 периода в течение 3 мин [2] Недостатки способа выделение ионов металлов на электродах, приводящее к их коррозии, и частичная потеря конечной прочности изделий за счет раннего твердения.

Наиболее близким из известных решений к заявленному является способ обработки смесей с минеральным заполнителем путем их активации последовательно, в магнитных полях, вращающихся в противоположных направлениях [3] Недостатки способа: невозможность непосредственного применения для отформованных арболитовых блоков, снижение эффективности активации из-за изменения электрохимических параметров арболита в процессе самой обработки.

Цель данного изобретения -повышение прочности конечного продукта за счет достижения предельных концентраций ионов в жидкой фазе в короткие сроки и увеличения количества прореагировавших частиц вяжущего.

Поставленная цель достигается тем, что в способе обработки строительного материала на основе минерального вяжущего, преимущественно арболита, включающем обработку во вращающемся реверсном магнитном поле, в качестве магнитного поля используют вихревое вращающееся магнитное поле ниже предельной частоты проникновения поля в арболит с периодом реверса, регулируемым по закону степенной функции t_n t₀•q^n-1 на интервале цикла обработки, рассчитываемого из соотношения
[с]
где F число Фарадея;
μ количество киломолей вяжущего в расчете на CaO общее;
j приведенный потенциал Гуи;
P мощность для создания магнитного поля;
k КПД преобразования энергии внешнего магнитного поля в работу выхода ионов;
t₀ интервал релаксации дипольно-ионной поляризации;
q множитель геометрической прогрессии;
n номер переключения реверса.

Использование вихревого магнитного поля с требуемой глубиной проникновения в материал при адаптивном регулировании периода реверса в процессе обработки обеспечивает по сравнению с ближайшим аналогом достижение новых свойств таких, как:
разрушение поверхностной пленки на частицах вяжущего одновременно по всем направлениям координат объема смеси;
снижение потенциального барьера в диффузионном слое и повышение скорости выхода ионов вяжущего в жидкую фазу;
достижение предельных концентраций ионов в короткие сроки и увеличение за счет этого начального числа зародышей центров поликристаллизации;
увеличение глубины гидратированных слоев, окружающих зерна клинкера.

Скорость гидратации на разных стадиях определяется химическим составом взаимодействующих элементов и связана с энергией химических реакций. Быстрее всего происходит гидратация CaO, а поскольку минеральное вяжущее содержит более 60% CaO общего, то представляется наиболее эффективным ускорение процесса гидратации именно по этой компоненте. Для инициирования выхода ионов Ca⁺⁺ в свободный раствор примерно на порядок по сравнению с диффузионным выходом, необходимо, чтобы напряженность внешнего вихревого поля понижала потенциальный барьер внутреннего поля сольватных оболочек примерно в два раза. Распределение внутреннего поля в диффузионном слое сольватных оболочек задается потенциалом Гуи (Ахвердов И.Н. Основы физики бетона. М. Стройиздат, 1981, с. 199, рис. 4.5). Величина внешней напряженности, индуцируемой в образце ЭДС под действием вихревого магнитного поля, должна быть соизмерима с потенциалом Гуи.

В соответствии со вторым законом Максвелла циркуляция вектора электрической напряженности по произвольному замкнутому контуру, охватывающему область переменного магнитного поля, равна производной от магнитного потока, сцепленного с этой областью

За счет разнонаправленности вектора E по отношению к поверхности зерен в каждой точке уменьшается суммарная работа выхода ионов Ca⁺⁺ в раствор и достигается предельная концентрация в сжатые сроки.

С электрической точки зрения незатвердевший арболит является электролитом, содержащим ионы металлов, гидроксильных групп, кислотных остатков, щелочей. Удельные электрические характеристики арболита на базе цемента Воскресенского завода составляют 5 10 ом•м, удельная проводимость 0,1 0,2. Глубина проникновения (δ) электромагнитного поля в материал для проводящих сред задается зависимостью (Гольдштейн Л.Д. Зернов Н.В. Электромагнитные поля и волны. М. Сов. радио, 1956, с. 179).

Для стандартных арболитовых блоков 200х200х400 мм, чтобы глубина проникновения была не менее 20 см, максимальная частота должна быть не выше порядка 50 Гц. Ускорение процесса гидратации связано с затратами энергии внешнего поля на инициирование выхода ионов Ca⁺⁺ из твердой фазы в жидкую. Работа выхода равна произведению количества зарядов (Σg_i) на потенциал Гуи. Длительность обработки арболитовых блоков является функцией их объема, состава смеси, киломолей вяжущего, мощности внешнего поля и рассчитывается по эмпирической зависимости

Арболит имеет ярко выраженную релаксационную поляризацию двух типов:
дипольно-релаксационную, присущую жидким диэлектрикам, имеющим свободные радикалы OH^-;
ионно-релаксационную, обусловленную появлением упорядоченности в хаотическом тепловом движении у слабо связанных ионов Ca⁺⁺, Mg⁺⁺, Al⁺⁺⁺.

Время установления данного типа поляризаций велико до нескольких минут.

При однонаправленном вращении магнитного поля наведенная ионно-релаксационная поляризация создает внутреннее поле в арболитовом блоке, которое уравнивает вихревое электрическое поле, и движение зарядов прекращается, по оси вращения магнитного поля сосредотачиваются наведенные заряды. Чтобы обеспечить непрерывное, разнонаправленное движение ионов через сольватные оболочки, необходимо осуществлять периодический реверс вращения магнитного поля. При этом существует оптимальное время регулирования периодичности t реверса по закону степенной функции t_n t₀•q^n-1.

Пример реализации способа. На фиг. 1 представлена схема устройства, посредством которого реализуется способ. Схема содержит источник вращающегося магнитного поля в виде статора 1 асинхронного электродвигателя, во внутрь которого между полюсами помещены испытываемые пробные образцы арболитовые кубики 2. Для создания периодического реверса вращения магнитного поля две фазные обмотки 3 статора переключаются магнитным пускателем 4. Обмотка 5 магнитного пускателя управляется последовательностью импульсов тока от триггера Шмитта 6, формируемой из синусоидального напряжения генератора на RC 7. Регулирование величины напряженности магнитного поля осуществляется пусковым реостатом 8. Для испытываемых пробных арболитовых кубиков по ГОСТ 19.222-84 "Арболит и изделия из него. Общие технические требования" размером 100х100х100 мм соотношение составляющих по весу соответствовало, г: цемент 350; древесная дробленка 220; жидкое стекло 48; Al₂SO 34; вода 290. Цемент Воскресенского завода, SiO₂ 22; SO₃ 2; Al₂O₃ 6,12; Fe₂O₃ 3,99; CaO 58,5; MgO 4,13. Жидкое стекло, H₂O 59; N₂O 10; SiO₂ 30. Замес осуществлялся на девять кубиков: два кубика на нормальное твердение; три кубика на обработку знакопеременным импульсным током по способу-аналогу; четыре кубика на обработку вихревым вращающимся магнитным полем.

На фиг. 2 представлены функции изменения токов, протекающих через кубиковый образец, при включении его под постоянное напряжение (U 20 В), с периодическим изменением полярности подключения. Функция изменения суммарного тока характеризуется тремя зависимостями с постоянными времени, отражающими физические процессы, происходящие в образце при обработке:
а) экспоненциальное уменьшение пиковых амплитуд суммарного тока i_абс, связанное с изменением числа диполей и зарядов в диффузных слоях сольватных оболочек;
б) релаксация токов смещения i_см в большей степени за счет токов адсорбции при переключении полярности питания;
в) уменьшение токов проводимости i_пров за счет связывания стоков адсорбции при переключении полярности питания;
в) уменьшение токов проводимости i_пров за счет связывания свободных ионов в процессе поликристаллизации.

При изменении направления вектора электрической напряженности отмечается скачок тока i_абс. В диффузных слоях сольватных оболочек происходят поворот диполей и увеличение количества переходов ионов Ca⁺⁺ из твердой фазы в жидкую. Скорость реакции далеко не равномерна, поэтому в каждом такте количество инициируемых ионов Ca⁺⁺ различно. Соотношение интервалов времени t_n, при котором общее количество прореагировавших частиц вяжущего будет максимальным, соответствует ряду, когда последующий интервал составляет 0,63 предыдущего.

Таким образом, максимальная эффективность обработки достигается при увеличении частоты переключений по мере уменьшения числа свободных носителей зарядов в геометрической прогрессии (q 0,63). Первый член прогрессии равен постоянной времени релаксации дипольно-ионной поляризации и в зависимости от состава арболита t₀ ≃ 150 200 с.

Скорость гидратации кубиковых образцов в эксперименте контролировалась ультразвуком. Изменение времени запаздывания отраженных ультразвуковых сигналов в процессе твердения образцов, подвергшихся различным способам обработки, представлена графиками фиг. 3, где 1 нормальное твердение, 2 - твердение при обработке знакопеременными импульсами постоянного тока, 3 - твердение по изобретению (заявленному способу). Из графиков фиг. 3 следует, что скорость гидратации возросла в три раза относительно аналога. После обработки кубики испытывались в 28-суточном возрасте на сжатие на прессе П. 10.

Результаты испытаний представлены в таблице.

Из результатов таблицы следует, что при обработке кубиков по изобретению прочность на сжатие увеличивается примерно в 1,5 раза.

В примере конкретной реализации использован статор асинхронного двигателя типа 4А132 2У3, мощность двигателя 7,5 кВт, ток статора I_ном 17,5 А при ν 380 В. Магнитный пускатель общего назначения МРТУ-16-529.008-65 типа ПМЕ 221, коммутируемая мощность от 5 до 15 кВт. Реверс направления вращения магнитного поля осуществляется переключением двух фазных обмоток B и C статора посредством магнитного пускателя. Управление магнитным пускателем осуществляется электронной схемой в составе триггера Шмитта и генератора на RC, задающего частоту переключений. Электронные схемы стандартные (Справочник радиолюбителя конструктора. М. Радио и связь, 1983, с. 287 290). Для питания обмотки магнитного пускателя необходим ток 100 МА, такую мощность имеет широкий класс транзисторов типа ГТ 124, 2SA. Чтобы обеспечивать регулируемую периодичность реверса, элементы цепочки RC-генератора выбраны: C единицы мкФ; R единицы мОм. Регулирование периодичности реверса осуществляется перестройкой частоты RC-генератора.

Использование: производство строительных материалов, в частности производство изделий на основе древесно-цементных композиций, преимущественно арболита. Сущность изобретения: способ обработки строительного материала, преимущественно арболита, включает обработку материала в вихревом вращающемся магнитном поле ниже предельной частоты проникновения поля в арболит с периодом реверса, регулируемым по закону степенной функции t_n = t₀•g^n-1 на интервале цикла обработки, рассчитываемого из соотношения с, где F - число Фарадея, μ - количество киломолей вяжущего в расчете на CaO_общее, j - приведенный потенциал Гуи, P - мощность для создания магнитного поля, k -КПД преобразования энергии внешнего магнитного поля в работу выхода ионов, t₀ - интервал релаксации дипольно-ионной поляризации, g - множитель геометрической прогрессии, n - номер переключения реверса. Способ может быть реализован на базе устройства, содержащего источник вращающегося магнитного поля, воздействующего на образец, создаваемого фазными обмотками с реверсом направления вращения переключением фазных обмоток магнитным пускателем. Обмотка магнитного пускателя управляется последовательностью импульсов от триггера Шмитта, формируемых из синусоидального напряжения перестраиваемого RC-автогенератора. Напряженность магнитного поля регулируется пусковым реостатом. Описанный способ обеспечивает повышение прочности материала путем достижения предельных концентраций поликристаллизации в короткие сроки и увеличения количества прореагировавших частиц вяжущего. 3 ил., 1 табл.

Способ обработки строительного материала на основе минерального вяжущего, преимущественно арболита, включающий обработку во вращающемся реверсном магнитном поле, отличающийся тем, что в качестве вращающегося реверсного магнитного поля используют вихревое вращающееся магнитное поле ниже предельной частоты проникновения поля в арболит с периодом реверса, регулируемым по закону степенной функции t_n t_o•q^n - 1 на интервале цикла обработки, рассчитываемом из соотношения

где F число Фарадея;
μ - количество киломолей вяжущего в расчете на CaO общее;
ψ - приведенный потенциал Гуи;
P мощность для создания магнитного поля;
k КПД преобразования энергии внешнего магнитного поля в работу выхода ионов;
t_o интервал релаксации дипольно-ионной поляризации;
q множитель геометрической прогрессии;
n номер переключения реверса.