Физико-химические основы ГДД 6

5.3. МЕРЗЛЫЙ И ТАЛЫЙ РУНТ

. Характерная особенность земляных работ в зимнее время — повышенные затраты труда и времени, а также высокая их энергоемкость. При низких температурах дисперсные породы приобретают свойства монолитных скальных пород, чрезвычайно плохо поддающихся механическому разрушению; разработка их сопровождается резким удорожанием и износом оборудования. При этом производительность механического оборудования снижается в 10—15 раз по сравнению с разработкой теплых грунтов, Мерзлый грунт — сложное по составу полидисперсное, многофазовое, неоднородное тело. Его физико-химические свойства обусловлены не только составом, но и структурой, т. е. взаимным расположением слагающих элементов. При одинаковом содержании льда, различно распределенном в объеме мерзлой породы прочностные и деформационные характеристики породы могут резко отличаться друг от друга. Прочность и неоднородность мерзлого грунта, характер контактов между составляющими частицами, как и прочность отдельных составляющих и прежде всего льда, принципиальны дли разработки роющих, режущих и скалывающих рабочих органов механических машин и устройств. В этом аспекте н изучаются свойства мерзлых грунтов. Исследуются также вопросы распространения тела в мерзлом грунте (оттаивание и предохранение от промерзания). Перенос теплоты в мерзлом грунте осуществляется в кондуктивной, конвективной и лучистой формах. При оттаивании мерзлых грунтов искусственными источниками перенос теплоты путем лучеиспускания достигает всего нескольких процентов. Конвективный перенос теплоты обусловливается внутри-поровой, межпоровой, свободной и вынужденной конвекция-ми, диффузионным и термодиффузионным переносом. Кондуктивная теплопроводность — основной механизм теплопередачи в мерзлых грунтах в естественных условиях. Из-за сложности объекта исследования теплофизические свойства мерзлых пород пока мало изучены. Недостаточно изучен и характер поведения мерзлого грунта различного состава под воздействием горячего сверхзвукового газового потока. При торможении сверхзвукового потока в зоне торможения, расположенной на поверхности преграды, происходит практически мгновенное выделение тепловой энергии, сопровождаемое скачкообразным повышением давления струи. Величины температурного скачка и скачка давления приблизительно равны начальным условиям образования сверхзвукового газового потока, в нашем случае — давлению и температуре в камере сгорания термогазогенератора. canada goose bomber Мгновенный тепловой и динамический удар, испытываемый поверхностным слоем мерзлого грунта, вошедшего в контакт со сверхзвуковым газовым потоком в первую очередь воспринимается цементирующей грунт ледовой связкой, которая активно теряет свою твердую фазу в пятне контакта. Характер поведения ледовой связки существенно влияет на процесс разрушения. При ударном тепловом воздействии лед практически мгновенно переходит в перегретый пар, который изнутри грунтового слоя отрывает частицы грунта от основного массива, что дополняется наружным динамическим воздействием струи. После активного выброса освободившихся частиц процесс ударного воздействия воспринимается следующим слоем грунта, так как ранее образовавшийся паровой слой препятствовал проникновению теплоты в последующий массив и постепенному переходу льда в жидкую фазу. При недостаточном термическом воздействии лед постепенно переходит в воду и только частично в пар. Взрывного высвобождения частиц грунта в результате активного парообразования не наблюдается. Грунтовой слой «вымывается» по мере образования воды, при этом значительная часть тепловой энергии струи бесполезно расходуется на парообразование уже в самой полости шпура и не влияет на процесс разрушения. При невозможности обеспечить необходимое термическое воздействие для взрывообразного перехода ледовой связки а пар тепловые параметры струи целесообразно уменьшить до величин, исключающих активный перегрев пара и парообразование в полости скважины. Сохраненная таким образом тепловая энергия пойдет на расплавление большей ледяной массы, в результате чего большее количество грунтовых частиц потеряет связь между собой. В этом случае для компенсации отсутствия сил внутреннего парового давления необходима струя с большими скоростными характеристиками, что обеспечит увеличение выносимой массы за счет расплавления льда, дальнобойности и силового действия струи, позволит осушить зону обработки от поверхностного водяного слоя. Первый режим взрывного разрушения грунта предпочтительней, так как скоростные параметры струи могут быть уменьшены. При втором режиме надо придать струе повышенные скоростные качества, а тепловые должны обеспечивать расплавление льда при минимально допустимом нагреве образовавшейся жидкой фазы. Третий режим, переходный между первым и вторым, при котором термические свойства газового потока не достаточны для взрывообразного перехода льда в пар, но обеспечивают активное парообразование в полости шпура или реза, нерационален. Таким образом, эффективность термогазодинамического метода определяется наличием ледовой цементирующей связки, которая затрудняет использование механических способов. Прочностные свойства грунта, зависящие от строения ледовой связки и понижения температуры, не влияют на скорость разрушения грунта термогазодинамическим способом, в отличие от механических методов. При работах на мерзлом грунте термогазодинамический способ позволяет выполнять: проходку скважин под набивные сваи, проходку лидирующих скважин под забивные сваи, подготовку грунта под эскавацию; гнезда под столбы электроосвещения и установка реперов в шпуры при выемке грунта взрывом; работы, связанные с зонным разрушением мерзлого грунта (высвобождение шпал, трубопроводов, кабелей и других коммуникаций); рыхление зимой сыпучих грунтов (песка, гравия, щебня), погрузочно-раэгрузочные работы; очистку конвейерных лент, кузовов автомашин и вагонов от смерзшихся конгломератов транспортируемого груза и т. д. Вопросы использования термогазодинамического способа для работ на мерзлом грунте, особенно с разнообразными моренными включениями, исследованы еще недостаточно.

Глава 6. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ТЕРМОГАЗОДИНАМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ИСКУССТВЕННЫХ МИНЕРАЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ

6.1. БЕТОН И ЖЕЛЕЗОБЕТОН

Поведение бетона при тепловом и динамическом воздействии сверхзвуковой газовой струи зависит от специфики поведения его составляющих [28—31, 92]. Бетон — гетерогенная система из воды, цементного камня, мелкого и крупного заполнителя, которые своеобразно реагируют на температурное воздействие. Свободная вода заполняет поры и капилляры цементного камня и испаряется при нагревании выше ЮО ⁰С. Химически связанная вода удаляется при 400—800°С, в этом же интервале испаряются остатки адсорбированной влаги. ugg grise asics gel lyte 3 homme По данным Л. Е. Коупленда [71], на изобарах дегидратации портланд-цементного камня (рис. 36) повышение температуры вначале приводит к плавной потере массы, при 400 °С выделение воды идет интенсивно в узком интервале температур. Это вызвано процессами дегидратации, Са(ОН)₂ переходит в СаО (перелом на изобарах дегидратации цементного камня). С увеличением сроков твердения потери массы возрастают. При дальнейшем повышении температуры вновь наблюдается постепенное падение массы, и при 800 °С фиксируется полное обезвоживание. Затвердевшее цементное тесто как связка является активной составляющей, влияющей на строительные свойства бетона. Кратковременное нагревание ниже 400 °С приводит к некоторому уплотнению и увеличению прочности цементного камня. Однако при длительном (месяцы) хранении в таких условиях прочность снижается на 20—30% из-за прекращения процессов твердения, частичной дегидратации и перекристаллизации гидросиликатов, и особенно гидроалюминатов кальция. Даже при кратковременном тепловом воздействии в интервале 400—800 °С возникают дегидратация и значительное снижение прочности бетона. Длительное же тепловое воздействие приводит к разрушению цементной связки. Выделение водяных паров способствует этому, а гидросиликаты и гидроалюминаты кальция теряют химически связанную воду. Прочность продолжает падать при увеличении температуры вплоть до 1000°С. Так как в цементном камне в значительном количестве присутствует свободная известь СаО, то последующее пароувлажненне вызывает ее гашение с местным увеличением объема, поэтому переменное нагревание при 400—1000°С и увлажнение снижают прочность и облегчают последующее механическое разрушение материала. При температурах выше 1000 °С свободная известь вступает в реакцию, образуя алюминаты и ферриты, а затем силикаты кальция, в результате прочность камня увеличивается. air jordan pas cher france С повышением температуры более 1300 °С появляется жидкая фаза, ее количество увеличивается и при температурах выше 1600^СС наступает полное расплавление. Мелкий заполнитель (песок) обычно содержит 60—95% зерен кварца, который при нагревании претерпевает ряд моднфикационных превращений (некоторые из них связаны с значительным изменением объема зерен) по схеме: a-кварц 575° ß-кварц-870° -тридимит 1470⁰ кристобалит 1713° расплав, что вызывает появление существенных Рис. 36. Изменение содержания воды в цементном тесте при нагревании напряжений и нарушение механической связи на границе кварц—цементный камень. Следует отметить, что в песках при повышенных температурах кварц, активно реагируя с другими оксидами, может давать силикаты с низкими температурами плавления, например: K₂О_*-*4SiО₂—770°C; СаО_*Fe₂0_3*Si0₂— 1208°С. Поэтому длительное воздействие температур выше 1000°С может привести к появлению жидкой фазы, что при охлаждении вызовет повышение прочности. Крупный заполнитель состоит из зерен размером более 5—10 мм, слагающих скальную горную породу. Минералогический состав и физико-химические свойства отдельных минералов заполнителя определяют поведение его при термогазодинамической обработке. В гранитах, наиболее часто представленных в крупном заполнителе, возникают разрушающие напряжения за счет модификационных превращений кварца и различия коэффициентов расширения полевых шпатов, слюд и кварца. В диапазоне 575—1300°С происходит нарушение механической прочности и ослабление связей на границе цементный камень — крупный заполнитель. Asics gel nimbus pas cher Повышение температуры приводит к расплавлению полевых шпатов {1200—1500°С), цементного клинкера (1500— 1600^СС) и кварца (выше 1713°С). Силикаты и алюминаты, образовавшиеся в результате взаимодействия составляющих бетона при нагревании, способствуют образованию жидкой фазы при более низких температурах порядка 1200—1400°С. Тем не менее при 1400—1800»С расплав вязок, что затрудняет эвакуацию его из зоны обработки. Побочные химические реакции иногда способствуют увеличению вязкости расплава, но при регулируемом ходе реакций можно получить жидкий расплав при относительно низких температурах. При 1800°С и выше вязкость расплава уменьшается, он становится все более подвижным. Другая картина наблюдается при карбонатных заполнителях. В диапазоне 700—1100°С из-за диссоциации по схеме РСО₃ PO + CO₂ их прочность, а следовательно, и прочность бетона резко снижается. При чередовании нагревания н увлажнения бетон начинает самопроизвольно разрушаться за счет образования Са(ОН)₂ или Mg(OH)₂. adidas ultra boost При 1100— 1800°С происходят интенсивные химические реакции с образованием жидкой фазы. Полное расплавление наступает при температурах выше 1800°С. Существуют четыре характерные области поведения бетона в зависимости от температурного воздействия сверхзвуковой струи: дегидратации цементного теста — 400—800°С; активных модификационных н химических изменений заполнителя — 600—1300^СС; начала оплэвления и расплавления составляющих бетона — 1200—1500°С; полного расплавления составляющих бетона с подобластями вязкого расплава — 1500—1800°С и жидкстекучего расплава — выше 1800°С. В диапазоне 400—1300°С, охватывающем первую и вторую области, существенно понижается механическая прочность бетона (дегидратация цементного теста, нарушение связей на границе заполнитель — цементный камень, частичное разрушение крупного заполнителя). New Balance France Механическая прочность цементного камня резко падает в диапазоне 500—11ОО’С (рис. 37). При температурах 1200—1500°С фиксируется частичное оплавление поверхности и неустойчивость расплава. Эту зону считают критической (переходной), характеризуемой быстрым переходом бетона от твердого состояния к жидкости и наоборот. Полное и стойкое расплавление наблюдается при температурах выше 1800 ⁰С. Правильный выбор режимов работы газодинамической обработки и соответствующее конструктивное оформление оборудования обеспечат гарантированное получение бетона с требуемыми качествами. Рис. 37. Механическая прочность цементного камня при нагревании

7. Фторопласты

7.1 СВОЙСТВА И ПРИМЕНЕНИЕ

Фторопласты — это полимеры и сополимеры галогенпроизводных этилена и пропилена; их условно подразделяют на два больших класса, отличающихся свойствами и методами переработки. К первому классу относятся: политетрафторэтилен — фторопласт-4, продукт суспензионной полимеризации гетрафторэтилена,и фторопласт-4Д, продукт эмульсионной полимеризации тетрафторэтилена, а также модифицированный фторопласт-4ДМ. Они составляют более 90 % общего объема выпуска фторопластов и являются основными представителями фторполимеров. Эта группа фторопластов перерабатывается методами, близкими к методам производства изделий в порошковой металлургии. Ко второму классу относится довольно большая группа сополимеров, а также модифицированных полимеров, являющихся термопластичными фторполи-мерами или так называемыми плавкими фторопластами, которые перерабатываются традиционными методами переработки пластмасс. В промышленных масштабах в настоящее время освоено около 16 марок термопластичных фторполимеров (ТПФ), каждая из которых обладает своими уникальными свойствами, отличными от свойств политетрафторэтилена (ПТФЭ). Благодаря исключительной химической инертности по отношению практически к любым агрессивным средам, за исключением расплавов щелочных металлов и трифторида хлора, фторопласт-4 и фторопласт-4Д валяются незаменимыми материалами для изготовления деталей химичкой аппаратуры. Они используются в качестве трубопроводов для ~?рекачки высокоагрессивных сред, футеровки реакторов, аппаратов — jлонного типа, запорной арматуры, насосов, емкостей для хранения транспортирования химически активных сред, прокладочно-уплотниильных деталей, контактирующих с агрессивными средами. Самый низкий коэффициент трения по сравнению с другими конструкционными материалами, а также равенство статического и динами-«ккого коэффициентов трения фторопласта-4 и композиций на его основе обусловливают широкое применение их в машиностроении — в узлах трения механизмов машин и приборов в качестве подшипников и опор скольжения, подвижных уплотнений — поршневых колец, манжет. При этом использование фторопластов в узлах трения повышает жиежность и долговечность механизмов, обеспечивая их работу в условиях агрессивных сред, глубокого вакуума и при криогенных температурах. Высокая термостойкость в сочетаний с превосходными диэлектрическими характеристиками материала позволяет применять его в электро- и радиотехнике в качестве изоляции проводов, кабелей, разъемов, изготовления печатных плат, пазовой изоляции электрических машин, а также в технике СВЧ. Физиологическая и биологическая безвредность фторопласта широко используется в медицинской и фармацевтической промышленности: из него наготавливают протезы кровеносных сосудов, сердечные клапаны, емкости для хранения крови и сывороток, упаковку лекарств. В пищевой промышленности и бытовой технике фторопласт служит в качестве облицовки валков для раскатки теста, покрытия форм для выпечки, антиадгезионных и антипригарных покрытий, например сковород, утюгов и т. д. Как видно из табл. 1.1, вторая группа—термопластичные фторполн-меры, хотя и несколько уступают по комплексу физико-механических и электрических свойств, однако сохраняют на высоком уровне основные свойства, присущие всему классу фторполимеров. Наряду с этим термопластичные фторнолимеры обладают целым рядом ценных эксплуатационных свойств, таких как радиационная стойкость, механическая прочность, более низкая проницаемость, которые обусловливают применение этих фторполимеров в ряде отраслей промышленности, где требования к указанным свойствам особенно высоки (атомная, авиационная, космическая, химическая). Некоторые марки термопластичных фторподи-меров — Ф-32, Ф42 благодаря способности к растворению используются для приготовления различных лаков, волокон, фильтровальных материалов, защитных и антикоррозионных покрытий. На основе фторопластов Ф-2М, Ф-ЗМ, Ф-40 изготавливаются различные уплотнительные детали Таблица 1-1. Основные физик»-механические и электрические свойства

на протяжении последних лет скопилось большое количество отходов в виде бракованных заготовок, обрезков от заготовок, отходов механической обработки в виде стружки, отходов кабельной промышленности в виде немерных кусков пленки и т. д., объем которых по подсчетам составляет более ТОО т в год. Кроме этого, имеется еще большое количество амортизованных, изношенных деталей (около 300 т в год), а с постоянным возрастанием объемов производства фторопластов тенденция увеличения роста отходов будет сохраняться. nike blazer Поэтому утилизация отходов становится актуальной народнохозяйственной проблемой. Проблема утилизации и возврата отходов в производство имеет два аспекта: экономический и экологический. Экономический заключается в том, что возврат отходов фторопласта в сферу производства и последующая их переработка во «вторичные» изделия позволит отказаться от создания дополнительных мощностей и затрат на выпуск первосортного сырья. Экологический аспект заключается в том, что фторопласт — химически стойкий материал — не подвержен старению и разрушению к не может быть сожжен; он требует площадей для его захоронения. Возврат же его в сферу производства решит проблему сохранения земельных площадей для других народнохозяйственных нужд. \

7.2 Методы измельчения отходов фторопластов

В отличие от переработки отходов термопластичных фторполимеров, которая осуществляется традиционными методами: измельчением их на дробилках или грануляцией споследующей экструзией на червячных прессах в изделие, — переработка отходов фторопластов Ф-4 и Ф-4Д является сложной технической проблемой. Основная сложность заключается в том, что для получения высококачественных вторичных изделий, которые по физике-механическим свойствам приближались бы к изделиям из первичного фторопласта, необходима определенная степень измельчения отходов. Экспериментально было установлено, что размеры частиц измельченных отходов для изготовления вторичных изделий должны быть не более 200 мкм. Такая дисперсность обусловлена специфическими особенностями фторопласта-4; отсутствием перехода в вязко-текучее состояние, вые око эластическими свойствами полимера, сохраняющимися вплоть до криогенных температур (температура стеклования —130 °С). На протяжении нескольких последних лет отдельными предприятиями предпринимались попытки переработки отходов измельчением с целью регенерации фторопласта, однако из-за несовершенной технологии такие работы не нашли промышленного воплощения. Тем не менее накопленный опыт подсказал, что добиться тонины помола частиц фторопласта до 200 мкм можно только на специально разработанном для этой цели оборудовании, например мельницах-дробилках [85]. В настоящее время используются преимущественно два метода: криогенное измельчение отходов в среде жидкого азота или инертных газов и механическое измельчение отходов методом ударного действия. Выбор способа измельчения отходов фторопласта зависит от требований, предъявляемых к конечному продукту измельчения — порошку: его дисперсности, чистоте и размерам частиц, которые, как определено экспериментально, должны быть от 50 до 200 мкм [86]. Способ измельчения может также влиять на молекулярную массу и форму частиц порошка, определяя тем самым его дальнейшее использование для переработки в изделие. При выборе способа измельчения необходимо учитывать производительность процесса, энерго- и металлоемкость оборудования и другие экономические показатели, определяющие эффективность применения отходов в промышленности. В результате трудов отечественных и зарубежных исследователей, , в основном определена технология измельчения фторопластов в порошок с размером частиц до 200 мкм. Процесс включает следующие основные стадии: грубое дробление отходов на частицы размером до 3—5 мм, осуществляемое преимущественно на дробилках типа ИПР-300, или измельчение на ножевых мельницах; обработка полученного фторопласта с целью придания материалу достаточной хрупкости или изменения его молекулярной структуры с тем, чтобы облегчить дальнейший процесс измельчения; тонкое измельчение материала до размера частиц до 200 мкм; просев, при необходимости, измельченного порошка для отбора определенной фракции. Широко известный способ криогенного измельчения пластмасс заключается в том, что материал подвергается охлаждению хладагентами, такими, как, например, жидкий азот,—для придания ему хрупкости, после чего легко измельчается в дробилках различных конструкций. Преимущества способа криогенного измельчения в том, что получается мелкодисперсный порошок полимера с хорошей формой частиц — в основном сфероидальной, при этом сведена к минимуму возможность термодеструкции полимера и скорость процесса измельчения достаточно велика. Однако способ криогенного измельчения требует применения дорогостоящих материалов, специального оборудования, больших рабочих площадей или помещений для хранения хладагента, а также квалифицированного обслуживающего персонала и в связи с этим находит ограниченное применение, практически только в лабораторных условиях [87]. Так, иногда после криогенного измельчения фторопласт подвергают дополнительной обработке смесью водных паров серной и соляной кислот, в результате чего пелучают высококачественный мелкодисперсный порошок белого цвета [88]. В некоторых случаях перед измельчением отходы фторопласта подвергают облучению ионизирующим радиоактивным излучением мощностью дозы до 5 Мрад, после чего измельчают на механических дробилках. При облучении фторопласта его молекулярная масса снижается до 10 000. при измельчении получается мелкодисперсный порошок, из которого в дальнейшем изготавливаются волокна или смазки [89, 90]. Иногда облучение отходов сочетают с нагревом их, в этом случае отходы облучают дозой до 2 Мрад при температурах 200-300°С, после измельчения получают порошок с размером частиц до 5 мкм [93]. Вообще радиационное облучение отходов фторопласта нерентабельно, так как требует дорогостоящего оборудования, а те второсортные изделия, для которых предназначаются отходы, не оправдывают затрат на это оборудование. С целью уменьшения молекулярной массы ПТФЭ и облегчения его дробления на стандартном оборудовании — шаровых или роторно-ноже-вых мельницах прибегают к высокотемпературному нагреву полимера, который осуществляют при 390-410 «С в течение 1—3 ч. В процессе нагрева образуется порообразный монолит, который легко измельчается в порошок с размером частиц до 100 мкм [93]. Но, как уже указывалось, в результате радиационного облучения или высокотемпературного нагрева уменьшается молекулярная масса ПТФЭ, процесс измельчения облегчаете*, получается тонко дисперсный порошок. Вместе с тем полученный порошок обладает худшими свойствами, чем исходный полимер, и поэтому может быть использован лишь в качестве смазок, наполнителя в композит кш для изготовления неответственных изделий. | Укажем два способа переработки отходов термопластичных фторпо-лимертв, которые отличаются от традиционных способов переработки. По одному из них измельчение отходов термопластов осуществляется в реэультате соударение частиц при транспортировании их встречными струями воздуха, формирование которых происходит в двух разгонных трубах, установленных на одной оси навстречу друг другу. Этим способом получают мелкодисперсный чистый порошок, но способ требует компрессорного оборудования и малопроизводителен [94]. Другой способ дробления термопластов состоит в интенсивном перемешивании их с поваренной солью, нагретой до 500 °С или охлажденной до —130 °С в зависимости от состава отходов. Установка для осуществления этого способа представляет собой вращающийся барабан, ось которого несколько наклонена, барабан имеет винтовые лопасти для лучшего перемешивания. В процессе перемешивания отходы, нагреваясь о кристаллики соли, истираются до мелких фракций либо, охлаждаясь, приобретают хрупкость и тоже разрушаются кристалликами соли на мелкие фракции [95].