Анализ технико-экономической эффективности производства грунтобетонов из шламов нефтехимического предприятия и производства сульфата

 

 Применение механической мешалки  позволяло не только увеличить  эффективность перемешивания, что  обеспечивало диспергирование крупных  газовых пузырей в мелкие, создавало  достаточно однородную суспензию,  но и позволило интенсифицировать  массообмен процесса хемосорбции.  Поэтому в дальнейшем  для изучения  зависимостей технологических параметров  на выявление оптимальных режимов,  использовался реактор с механической  мешалкой.

Уловитель летучих органических продуктов 6, выделяющихся в результате реакций, представляет собой стеклянную емкость, охлаждаемую смесью снега с поваренной солью до t =  -12° С.

Ёмкость для промывания отходящих  газов 8, заполнялась жидкостью, не  взаимодействующей с аммиаком, но являющейся хорошим растворителем  для органических продуктов, температура  кипения которых ниже -12° С.

Для контроля  отдельных  параметров  установки  применялись следующие  приборы: универсальный иономер 1 (марки  ЭВ-74); блок автоматического титрования БАТ-105, состоящий из рН-метра 2 (марки  рН-121), работающего в интервале  измерения рН -1+14, бюретки автоматического  титрования 3, электролитической ячейки 4 и самопишущего потенциометра 5. Питание  электрическим током комплекта  регистрирующей аппаратуры проводилось  через стабилизатор напряжения УСН-1200.

Для изучения зависимости проскока аммиака от  скорости  его подачи, в  реактор  помещалось 100 мл отработанной серной кислоты. Данные эксперимента показывают, что при увеличении скорости  подачи аммиака выше 1,20 л/мин,  проскок  аммиака регистрируется резким скачком  значений рН.

Зависимость величины проскока аммиака  от скорости его подачи.

 

6.Производство грунтобетона. Строения и свойства грунтобетона.

 

Основу грунтобетона как композиционного  материала составляют глинистые  породы – кембрийская глина или  суглинок, активность которых зависит  от дисперсности среды, концентрации ионов  металла, РН среды, а также определяется природой (генезисом) глинистой породы, включая содержания в ней примесей.

Разработан и получен грунтобетон  нормального и ускоренного твердения, в основе которого лежит применение кембрийской глины из забоя строящегося  метро Санкт-Петербурга в комплексе  с полиминеральной активной смесью (ПМАС), состоящей из отходов промышленности (нефелиновый шлам, фторангидрид, доменный шлак). Применение грунтобетона в производстве строительных изделий и конструкций позволяет обеспечивать высокую технико-экономическую эффективность и экологическую рациональность технологии, что способствует расширению сырьевой базы строительства в целом. Реализация подобных материальных резервов минерального сырья связана с возможностью управления процессами ускоренного структурообразования, способного обеспечить достаточно высокие физико-механические и деформативные характеристики грунтобетона. Основной активной составляющей структурной фазы данного вида бетона является глинофторнефелиновое комплексное вяжущее, его воздействие на гидратационную активность и на процессы структурообразования композиционного материала.

 

Вопросы изучения прочности грунтобетона на основе системы “глинистая порода – активатор ПМАС” играют первостепенную роль в оценке качества формируемой  структуры данной твердеющей системы  исходных материалов. Составы  бетона на его основе приведены в таблице .

 

 

 

 

 

Исходные составы грунтобетона

Номер состава грунтобетона	Соотношение исходных компонентов  вяжущего по массе		Доля заполнителя (кварцевый песок) с модулем крупности 1,6
	суглинок	ПМАС
1	1	0,25	-
2	1	0,5	1
3	1	0,75	2
4	1	1	3

 

Повышение прочностных характеристик  материала обеспечивалось путем  варьирования соотношения нефелиновое  вяжущее – глинистая порода – кварцевый песок.Условия твердения: нормальное и тепловлажностная обработка при пропаривании в интервале температур 40–80⁰С.

 

 

Состав грунтобетона: 1 – 1:1; 2 – 1:2; 3 – 1:3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

В следующей таблице представлены результаты прочностных характеристик грунтобетона нормального твердения при температуре 20 ⁰С, а на рис. 1 подобные данные пропаренного грунтобетона при температуре 40–80 ⁰С.

 

Прочность грунтобетона нормального  твердения

Номер состава грунтобетона	Вид ПМАС	В/В	Прочность при изгибе (МПа) в возрасте, сут.			Прочность при сжатии (МПа) в возрасте, сут.
			14	28	56	14	28	56
1 2 3 4	ФНА	0,90 0,80 0,65 0,4	2,4 4,5 5,2 5,7	3,1 6,5 7,1 7,9	4,5 7,8 8,3 9,2	9,5 12,1 15,0 16,0	12,5 16,0 18,6 19,7	13,7 19,1 22,4 24,3
1 2 3 4	ФНША	0,97 0,86 0,71 0,46	2,1 3,6 4,7 5,6	2,9 5,0 5,5 6,7	3,4 6,2 6,8 8,2	7,6 15,1 16,6 18,4	10,3 18,0 18,6 20,7	11,5 21,8 22,5 24,8

Примечание: ФНА – фторнефелиновый  активатор;

ФНША – фторнефелиношлаковый активатор.

 

Из полученных результатов видно, что к возрасту 56 суток прочность  композиционного материала увеличивается  на 20–25% относительно 28 дневного твердения, что подтверждает действие развития фазовых новообразований матричной  основы композита во времени. При этом введение малорастворимых соединений как активаторов твердения, в состав которых входят фториды, позволяет менять химизм явлений при твердении глиносодержащих минералов и тем самым воздействовать на механизм и кинетику процесса твердения комплексного вяжущего.

 

 

 

 

 

При определении оптимальных режимов  ускоренного твердения грунтобетона при ТВО были специально исследованы  вопросы изотермической выдержки в  диапазоне температур 40–80 ⁰С. Режим ТВО был выбран с учетом его воздействия на свойства воды и ее компонентов, как матричной основы композита на ранней стадии твердения грунтобетона.

Оптимальной температурой пропаривания для обоих видов ПМАС является 40 ⁰С

Прочность грунтобетона, пропаренного при 40 ⁰С

Состав грунтобетона	Вид ПМАС	В/В	Прочность при изгибе (МПа) в возрасте, сут.			Прочность при сжатии (МПа) в возрасте, сут.
			1	7	28	1	7	28
1:1 1:2 1:3	ФНА	0,3 0,35 0,4	1,3 1,9 2,5	5,2 2,7 3,4	6,3 7,1 7,8	8,5 10,9 11,8	20,9 15,7 16,6	26,1 22,0 22,8
1:1 1:2 1:3	ФНША	0,36 0,41 0,46	0,8 0,7 0,9	4,4 2,3 2,8	7,3 5,7 6,4	4,5 4,0 4,5	12,8 10,1 10,8	22,0 16,8 17,3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Из сопоставления кинетики роста  прочности грунтобетона, твердеющего  в нормальных условиях и при пропаривании, видно, что прочность пропаренного композита всех составов в 1,5 раза выше для возраста 28 суток. Также увеличивается прочность грунтобетона после пропаривания для возраста 56 суток твердения (см. таблицу 2).

Следует отметить высокое соотношение R_изг/R_сж для грунтобетона, которое в среднем составляет 0,30–0,33, что существенно выше, чем у обычных цементных бетонов.

Таким образом, применение ТВО для  данного материала на основе бесцементного  связующего с наполнителем кварцевого песка технически рационально и  экономически выгодно при температуре  пропаривания 40 ⁰С. При этом рост прочности в нормальных условиях до 56 суток продолжается в среднем на 10–15%.

Грунтобетон как конструкционный  материал, в отличие от цементного бетона, пластически объемно деформируется  под статической нагрузкой. Он подвергается почти равнозначно как упругому, так и пластическому деформированию. Об этом свидетельствуют результаты испытаний до разрушения при сжатии призм грунтобетона размером 10х10х60 см. Общий вид механизма разрушения материала представлен на рис. 2. Экспериментальным путем получены результаты по изменению модуля упругости (Е) и коэффициента Пуассона (m ) грунтобетона, которые приведены на рис. 3 и 4, а также в таблице 4. Значение Е грунтобетона на 75% ниже равнопрочного обычного цементного бетона, а значение m в 1,75 раза выше последнего. Эти данные сравниваются для напряженного состояния в структуре грунтобетона при нагрузке 0,25 R_пр.

 

 

 

 

Фотоснимок общего вида разрушенных  при испытании на сжатие призм  размером 10х10х60 см из грунтобетона 1:3

 

С точки зрения структурной механики, грунтобетон как композит при  сжатии начинает разрушаться под  углом 45⁰ к направлению действия нагрузки, что отвечает модели образования трещины сдвига. Как видно из рис. 2, поверхность разрушения на ¾ высоты призмы происходит по вертикальной плоскости, а это значит, что трещина потребляет меньше энергии на ее развитие. Механизм разрушения верхней 1/3 части образца под углом 45⁰ требует больше затрат энергии на разрушение. Это происходит потому, что по плоскости сдвига с увеличением глубины разрушения две ее стороны за счет сил трения компенсируют высвобождение упругой энергии при трещинообразовании. В этом случае хрупкое разрушение грунтобетона становится маловероятным. Диссипация энергии разрушения увеличивается в направлении развития пластической деформации.Усадочные деформации грунтобетона связаны, главным образом, с миграцией воды, содержащейся в структуре материала. Явление усадки бетона обусловлено так же химическими и физико-химическими процессами, протекающими при твердении самого вяжущего. Усадочные деформации в большей степени влияют на эффективность создания и возникновение внутренних напряжений в конструкциях и изделиях из грунтобетона.

Исследования по усадочным деформациям  проводились на трех составах грунтобетона 1:0, 1:1, 1:3 на образцах-балочках 40х40х160 мм, изготовленных из равнопластичной  смеси и твердеющих как при  нормальных условиях, так и после  ТВО при 40 ⁰С. Экспериментальными данными установлено, что введение заполнителя в виде кварцевого песка снижает величину усадки с 20× 10^-4 для состава 1:0 до 8× 10^-4 для состава 1:3. Таким образом, увеличение содержания мелкого заполнителя в структуре грунтобетона для состава 1:3 способно в два раза снизить его усадочные деформации.

Величина усадки после ТВО при  40 ⁰С для образцов грунтобетона на обоих видах вяжущего несколько ниже, чем при нормальном твердении. При этом снижение усадки бетона за счет ТВО составляет до 20% ее абсолютной величины от нормального твердения.

В целом, закономерность развития усадки грунтобетона типична для цементных  бетонов. Усадочные деформации пропаренного грунтобетона затухают к 35 суткам, тогда как для этого материала нормального твердения усадочные деформации затухают к 45 суткам. Содержание доменного шлака в составе грунтобетона их снижает.

Весьма интересно в общем  виде проанализировать показатели прочности  и деформативности грунтобетона в зависимости от условий твердения  и вида активатора твердения вяжущего.

 

Таблица влияний условий твердения грунтобетона на показатели прочности и деформативности

Условия твердения грунтобетона	Вид активатора твердения	Rкуб., МПа	Rпр., МПа	Е× 10-3, МПа	Един× 10-3, МПа	m
нормальное	ФНА	16,6	15,9	17,40	19,80	0,18
	ФНША	10,6	10,5	14,50	16,90	0,20
ТВО–40 0С	ФНА	20,5	19,0	16,50	28,0	0,25
	ФНША	13,2	13,5	22,50	27,40	0,29

 

 

<