RU2085547C1

RU2085547C1 - Method of processing building material

Info

Publication number: RU2085547C1
Application number: RU94041238A
Authority: RU
Inventors: А.С. Щербаков; В.Ф. Давыдов; О.Ю. Григорьева
Original assignee: Московский государственный университет леса
Priority date: 1994-11-14
Filing date: 1994-11-14
Publication date: 1997-07-27
Also published as: RU94041238A

Abstract

FIELD: manufacture of building materials. SUBSTANCE: invention is, in particular, related to production of products based on wood-cement compositions, primarily sawdust concrete. Processing of material, in particular sawdust concrete, includes treatment of material in vortex magnetic field rotating with frequency below limiting frequency of field penetration into material and with backspacing period controlled in conformance with power function t_n=t_o•q^n-1 low:

sec, where F is Faraday number, μ number of kilomoles of binder taking into consideration total calcium oxide, j reduced Goui potential, P power for creating magnetic field, k coefficient of efficiency of transformation of magnetic field energy into ion work function, t_o relaxation interval of dipole-ion polarization, q geometric progression factor, and n is number of backspacing commutation. Method may be implemented on the basis of apparatus containing source of rotating magnetic field affecting sample and created with phase windings with backspacing of rotation direction through switching phase windings with solenoid starter. Winding of the latter is regulated with pulse sequence from Schmitt trigger formed from sinusoidal voltage on tunable active RC oscillator. Intensity of magnetic field is regulated by starting rheostat. EFFECT: increased strength of material due to achieving limiting concentrations of polycrystallization within brief periods of time and increasing number of reacted particles of binder.

Description

Изобретение относится к промышленности производства строительных материалов, в частности к технологическим процессам производства изделий на основе древесно-цементных композиций, преимущественно арболита. The invention relates to the industry for the production of building materials, in particular to technological processes for the production of products based on wood-cement compositions, mainly arbolite.

Важными задачами технологии производства арболита являются ускорение процесса гидратации при одновременном увеличении количества прореагировавших частиц вяжущего. Important tasks of the technology for the production of arbolite are to accelerate the hydration process while increasing the amount of reacted binder particles.

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.A known method of accelerating hardening of arbolite by heat treatment due to electrical heating by alternating electric current [1] The disadvantage of this method
the absence of an increase in the strength of products both in the early stages and at the age of 28 days.

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. A known method of accelerating the process of hydration of a mixture by passing a pulsed, alternating direct current with a frequency of 1 2 periods for 3 minutes [2] The disadvantages of the method are the separation of metal ions on the electrodes, leading to their corrosion, and a partial loss of the final strength of the products due to early hardening.

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. The closest known solution to the claimed one is a method of processing mixtures with mineral aggregate by activating them sequentially in magnetic fields rotating in opposite directions [3] Disadvantages of the method: impossibility of direct application for molded arbolite blocks, reduced activation efficiency due to changes in electrochemical parameters arbolite in the process of processing itself.

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. The purpose of this invention is to increase the strength of the final product by achieving the maximum concentration of ions in the liquid phase in a short time and increasing the number of reacted binder particles.

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.This goal is achieved by the fact that in the method of processing building material based on a mineral binder, mainly arbolite, including processing in a rotating reverse magnetic field, a vortex rotating magnetic field is used as a magnetic field below the limiting frequency of penetration of the field into the arbolite with a reverse period regulated by law power function t _n t ₀ • q ^n-1 on the interval of the processing cycle calculated from the relation

[from]
where F is the Faraday number;
μ the number of kilomoles of binder based on CaO total;
j reduced potential of Gouy;
P power to create a magnetic field;
k the efficiency of converting the energy of an external magnetic field into the work function of ions;
t _{0 is} the relaxation interval of dipole-ion polarization;
q geometric progression factor;
n reverse switching number.

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.The use of a vortex magnetic field with the required depth of penetration into the material with adaptive regulation of the reverse period during processing provides, in comparison with the closest analogue, the achievement of new properties such as:
destruction of the surface film on the binder particles simultaneously in all directions of the coordinates of the volume of the mixture;
a decrease in the potential barrier in the diffusion layer and an increase in the rate of release of binder ions into the liquid phase;
the achievement of maximum ion concentrations in a short time and an increase due to this initial number of nuclei of polycrystallization centers;
increasing the depth of hydrated layers surrounding clinker grains.

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.The hydration rate at different stages is determined by the chemical composition of the interacting elements and is associated with the energy of chemical reactions. Hydration of CaO occurs most quickly, and since the mineral binder contains more than 60% of total CaO, acceleration of the hydration process with this component seems to be the most effective. To initiate the release of Ca ⁺⁺ ions into a free solution by about an order of magnitude compared with the diffusion yield, it is necessary that the strength of the external vortex field lower the potential barrier of the internal field of the solvate shells by about half. The distribution of the internal field in the diffusion layer of solvate shells is determined by the Gui potential (Akhverdov I.N. Fundamentals of concrete physics. M. Stroyizdat, 1981, p. 199, Fig. 4.5). The magnitude of the external tension induced in the EMF sample under the influence of a vortex magnetic field should be commensurate with the Gui potential.

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.In accordance with the second law of Maxwell, the circulation of the vector of electric tension along an arbitrary closed loop covering the region of an alternating magnetic field is equal to the derivative of the magnetic flux coupled to this region

Due to the multidirectionality of the vector E with respect to the grain surface at each point, the total work function of the Ca ⁺⁺ ions in solution decreases and the maximum concentration is reached in a short time.

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).From an electrical point of view, uncured arbolite is an electrolyte containing metal ions, hydroxyl groups, acid residues, alkalis. The specific electrical characteristics of arbolite based on cement at the Voskresensky Plant are 5 10 ohm • m, the specific conductivity is 0.1 0.2. The penetration depth (δ) of the electromagnetic field into the material for conductive media is given by

(Goldstein L.D. Zernov N.V. Electromagnetic fields and waves. M. Sov. Radio, 1956, p. 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⁺⁺⁺.For standard arbolite blocks 200x200x400 mm, so that the penetration depth is at least 20 cm, the maximum frequency should be no higher than about 50 Hz. The acceleration of the hydration process is associated with the expenditure of the energy of the external field on the initiation of the release of Ca ⁺⁺ ions from the solid phase to the liquid. The work function is equal to the product of the number of charges (Σg _i ) by the Goui potential. The processing time of arbolite blocks is a function of their volume, mixture composition, binder quilomoles, external field power and is calculated according to empirical dependence

Arbolite has a pronounced relaxation polarization of two types:
dipole-relaxation inherent in liquid dielectrics having free radicals OH ^- ;
ion-relaxation, due to the appearance of ordering in chaotic thermal motion in weakly bound ions Ca ⁺⁺ , Mg ⁺⁺ , Al ⁺⁺⁺ .

Время установления данного типа поляризаций велико до нескольких минут. The time to establish this type of polarization is large up to several minutes.

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.With unidirectional rotation of the magnetic field, the induced ion-relaxation polarization creates an internal field in the arbolite block, which equalizes the vortex electric field, and the movement of charges stops, the induced charges are concentrated along the axis of rotation of the magnetic field. To ensure continuous, multidirectional movement of ions through solvate shells, it is necessary to carry out periodic reverse rotation of the magnetic field. At the same time, there is an optimal time for controlling the periodicity t of reverse according to the law of the power function t _n t ₀ • 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.An example implementation of the method. In FIG. 1 shows a diagram of a device by which the method is implemented. The circuit contains a source of a rotating magnetic field in the form of a stator 1 of an asynchronous electric motor, inside of which test samples arbolite cubes 2 are placed between the poles. To create a periodic reverse of the magnetic field rotation, two phase windings 3 of the stator are switched by a magnetic starter 4. The winding 5 of the magnetic starter is controlled by a pulse sequence current from Schmitt trigger 6, formed from the sinusoidal voltage of the generator on RC 7. Regulation of the magnitude of the magnetic field uschestvlyaetsya starting rheostat 8. For wood-concrete test cubes tested in accordance with GOST 19.222-84 "Arbolit and glassware General technical requirements." 100h100h100 mm size ratio by weight of components corresponded g cement 350; wood chips 220; water glass 48; Al ₂ SO 34; water 290. Cement of the Resurrection Plant, SiO ₂ 22; SO ₃ 2; Al ₂ O ₃ 6.12; Fe ₂ O ₃ 3.99; CaO 58.5; MgO 4.13. Water glass, H ₂ O 59; N ₂ O 10; SiO ₂ 30. Kneading was carried out on nine cubes: two cubes for normal hardening; three cubes for processing by alternating pulsed current according to the analogue method; four cubes for processing by a vortex rotating magnetic field.

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.In FIG. Figure 2 shows the functions of changing the currents flowing through a cube sample when it is turned on at a constant voltage (U 20 V), with a periodic change in the polarity of the connection. The function of changing the total current is characterized by three dependences with time constants reflecting the physical processes occurring in the sample during processing:
a) an exponential decrease in the peak amplitudes of the total current i _abs , associated with a change in the number of dipoles and charges in the diffuse layers of the solvate shells;
b) relaxation of bias currents i _cm to a greater extent due to adsorption currents when switching the supply polarity;
c) a decrease in the conductivity currents i _prov due to the binding of adsorption drains when switching the supply polarity;
c) a decrease in the conductivity currents i _prov due to the binding of free ions in the process of polycrystallization.

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.When the direction of the vector of electric tension changes, a current jump i _abs . In the diffuse layers of the solvate shells, dipoles rotate and the number of transitions of Ca ⁺⁺ ions from the solid phase to the liquid increases. The reaction rate is far from uniform, therefore, in each cycle, the number of Ca ⁺⁺ ions initiated is different. The ratio of time intervals t _n , at which the total number of reacted binder particles will be maximum, corresponds to a series when the subsequent interval is 0.63 of the previous one.

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.Thus, the maximum processing efficiency is achieved by increasing the switching frequency as the number of free charge carriers decreases exponentially (q 0.63). The first term of the progression is equal to the relaxation time constant of the dipole-ion polarization and, depending on the composition of the arbolite, t ₀ ≃ 150 200 s.

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. The hydration rate of cubic samples in the experiment was controlled by ultrasound. The change in the delay time of the reflected ultrasonic signals during the hardening of samples subjected to various processing methods is represented by graphs of FIG. 3, where 1 is normal hardening, 2 is hardening during processing with alternating pulses of direct current, 3 is hardening according to the invention (the claimed method). From the graphs of FIG. 3 it follows that the hydration rate increased three times relative to the analogue. After processing, the cubes were tested at 28 days of age for compression on the press P. 10.

Результаты испытаний представлены в таблице. The test results are presented in the table.

Из результатов таблицы следует, что при обработке кубиков по изобретению прочность на сжатие увеличивается примерно в 1,5 раза. From the results of the table it follows that when processing cubes according to the invention, the compressive strength increases by about 1.5 times.

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.In a specific implementation example, a stator of an asynchronous motor of type 4A132 2U3 was used, motor power 7.5 kW, stator current I _nom 17.5 A at ν 380 V. General purpose magnetic starter MRTU-16-529.008-65 type PME 221, switching power from 5 to 15 kW. The direction of rotation of the magnetic field is reversed by switching the two phase stator windings B and C by means of a magnetic starter. The magnetic starter is controlled by an electronic circuit consisting of a Schmitt trigger and an RC generator that sets the switching frequency. Standard electronic circuits (Handbook of amateur radio designer. M. Radio and Communications, 1983, p. 287 290). To power the winding of the magnetic starter, a current of 100 MA is required, a wide class of transistors such as GT 124, 2SA has such power. To provide an adjustable frequency of the reverse, the elements of the RC generator chain are selected: C units microfarad; R units mOhm. The frequency control of the reverse is carried out by tuning the frequency of the RC generator.

Claims

A method of processing a building material based on a mineral binder, mainly arbolite, comprising processing in a rotating reverse magnetic field, characterized in that a rotating vortex magnetic field is used as a rotating reverse magnetic field below the limit frequency of penetration of the field into arbolite with a reverse period regulated by the power law functions t _n t _o • q ⁿ ^- ¹ on the interval of the processing cycle calculated from the relation

where F is the Faraday number;
μ is the number of kilomoles of binder calculated on the basis of CaO total;
ψ is the reduced potential of Gouy;
P power to create a magnetic field;
k the efficiency of converting the energy of an external magnetic field into the work function of ions;
t _o the relaxation interval of the dipole-ion polarization;
q geometric progression factor;
n reverse switching number.