Zastosowanie przepływów turbulentnych w procesie aktywacji cementu

(1)

ZESZYTY NAUKOWE POLITECH NIKI S 1 4 S K IE J I 9 S 8

S e r i a ; BCDOKNICTKO z . 68 l i r k o l . 9t>3

Micha» B ołtryk \ '

P o lite c h n ik a B iało sto c k a A le k s a n d e r P ietro w

W o ro szy ło w g rad sk ij M a scy n o stro itieln y j Instytut (Z S R R )

ZASTOSOWANIE PRZEPŁYWÓW TUR B ULE NT NYC H W PROCESIE AKTYWACJI CEMENTU

1. W prow adzenie

Rozw ój budownictw a betonow ego wymaga w yprodukow ania i w budow ania ro c z n ie w ielu milionów ton cem entu. W z ra sta ją c e w ciąż z ap o trzeb o w an ie na to spoiwo n o ż n a z a s p o k o ić trzem a drogam i. P ie r w s z a - p o p rz e z rozbudow ę przem ysłu cem en

tow ego ( c o v i o b e c n y c h w a ru n k a c h je s t niem ożliw o), d ru g a - p o p rz e z p o d w y ższe

nie s to p n ia m iałkości cem entu i popraw ę s k ła d u m in eralo g iczn eg o (p o w stają wtedy cem en ty w y ż s z y c h m a re k ). Z w ię k sz e n ie je d n a k ż e p o w ierzch n i w łaściw ej cem entu pow oduje z u ż y c ie e n e rg ii niew spółm iernie do u z y sk a n e g o efektu. Cementy takie u- le g a ją s z y b s z e j a g re g a c ji i wym agają krótkiego o k re s u ich sk ład o w an ia. Stąd też n a jb a rd z ie j celów'* je s t sto so w an ie aktyw acji b e z p o ś re d n io w p ro c e s ie przygotow a

nia m ie sz an ia betonow ej.

Dla w ię k sz e g o w y k o rz y stan ia p o ten c ja ln y ch w łaściw o ści w ią ż ą c y c h cem entu w P o lite c h n ic e B iało sto ck iej opracow ano dwie m etody aktyw acji zaczy n ó w i zap iaw cem entow ych [ l ] f [2] .

1. W ibracyjną, z wyk o rz y s ta ni e m n isk o c zę sto tliw o ścio w y c h i w y so k o często tliw o ścio - yvych w ib ro u d erzen io w y ch param etrów drg ań ;

2. H y d ra u lic zn ą , z w ykorzystaniem "zato p io n y ch tu rb u len tn y ch strum ieni1*.

W niniejszym re fe ra c ie z o sta n ie p rz ed sta w io n a d ru g a metoda w a s p e k c ie optymali

z a c ji param etrów p r o c e s u aktyw acji zac zy n ó w cem entow ych,

2. Istota aktyw acji turbulentnej

W in ten sy fik acji p ro c esó w ch em iczn y ch tak ich ja k e k s tra k c ja , sorfocja, d y so c ja - c ja , s o lw a ta c ja s ą sto so w an e u rz ą d z e n ia , które d z ia ła ją na z a s a d z ie w ytw arzania % o g ra n ic zo n e j w y s o k o śc i kipiącej w arstw y sy p k ie g o m ateriału w o śro d k u ciekłym- lub te ż w z b u d z a n ia d u ż ej ilo ści strum ieni p u lsa cy jn y ch w o b jęto śc i c ie c z y znajdują

c ej s ię w kom orze u rz ą d z e n ia [3 ] . Schem at sta n o w isk a do aktyw acji turbulent

nej sto so w a n y w P o lite c h n ic e B iałostockiej p rzed staw io n o n a ry s, 1.

Dla uzysk ania strumieni pulsacyjnych w za czy n ie cementowym w prow adza się do komory tłok z dyskiem, lub dyskami, który wykonuje drgania (p rze m ie sz cz e n ia ) w kierunku pionowym ♦ D ysk wykonany z superakrylu posiada otwory w k sz tałcie

(2)

30

M.Bołtryk, A . P i e t r o w jconchoidy o następującym równaniu!

gdzie:

D - średnica wlotowa zw ężki;

d - średnica wylotowa zw ężki (m niejsza), i<c - długość całkowita zw ężki ,

W danym przypadku wymiary zw ężki były dobierane na z a  sa d z ie sta łeg o gradientu c iś  nienia ( gjj - c o n s ł.) celem uzyskania kawitacji w akty

wowanym ośrodku.

K szta łt ta k ic h z w ę ż e k po

woduje p ow staw anie z a to p io n y ch strum ieni tu rb u ien tn y ch (w kieru n k u ich z w ę ż e n ia ) o sta łe j p rę d k o ś c i p rzep ły w u n a o d cin k u x - 4,8 d . Efekty

w ną w zg lęd n ą d łu g o ść strum ie

n ia 1 o k re ś la s ię n a p o d sta wie em pirycznej z a le ż n o ś c i [3] .

1 6.87- 2,07

R y s .l, Stanow isko lab o rato ry jn e do aktyw acji turbulentnej zac zy n ó w cem entow ych. 1 - cysk ze zwężkami; 2 — komora z z aczy n em cem en

towym, 3 - tłok, 4 - silnik e le k try c z n y z wi

bratorem , 5 - am ortyzatory, 6 - k o n stru k c ja w sp o rcza, 7 - fundament z w ibroizolacją

Dla układu drgającego jak na rys.

1

uzyskano - p rzy sp ieszen ie 30 - 40 g,

- amplituda 2,2 - 3,0 mm.

gdzie:

V - v x/v o - p rę d k o ś c i w o sia c h strum ienia odpowiednio w odległo- ś c i x od m iejsca wyp

ływu i w samym miej

s c u wypływu.

Jak o n a p ęd u u ży to ' w ibratora ty p u VIEP - 3P1 (pom ysłu prof.

K, E ym ana) o s a d z o n e g o na u k ład zie am ortyzatorów o od

pow iedniej c h a ra k te ry s ty c e , następujące param etry:

(3)

Za s to s o w a n ie przepływ ów t u r b u le n tn y c h . , .--- — ---— ---—

« amplituda prędkości - 0,56 - 0,8 m/s,

» często tliw o ść — 35 Hz •

Maję ono charakter impulsowy, pow stały p rzez n ałożen ie trzech ukierunkowa

nych drgań harmonicznie zmiennych [4] •

3. Program badań

Badaniami laboratoryjnymi objęto z a cz y n y cem entowe na cem encie portlandz

kim P -35 bez dodatków, który sp ełn ia wymagania normy PN - 3C/B-043G0. Wyliczo

ny skład mineralny (w g BN - 52/7331 - 0 3 ) przedstaw ia s i ę następująco: C j S - 44,3%; C2 S - 34,9%; C ^ P - 5,5%; C3A - 5,3%; CaSC>4 - 4%. Aktywowane za czy n y cem entowe następ nie były za sto so w a n e w odpowiedniej ilo ści do zaprawy normowej i betonu zw ykłego o W/C - 0,5 wg następującego składu (n a 3 m }:

kruszyw o

0 - 2 mm - 558 kg 2 - 4 * — 196 * 4 - 8 " - 5 8 6 * 8 - 1 6 " - 528 "

w. 3

woda zarobowa - 177, 5 dm cement P35 - 355 kg/m3

Zaprawa normowa była wykonywana zgodnie z p, 2,3, PN-80/B - 04300, a z mie

szanki betonowej formowano kostki o wymiarach 10 x 10 x 10 cm, które następnie przechowyw ano w warunkach normowych wg PN-75/B - 06250, Ola podanych po

wyżej czynników o zmiennych w trakcie badań w artościach, przyjęto dziedzinę e k s  perymentu, którą określa tablica 1,

W toku badań mierzone były n a się p iją c e wartości:

- parametry ruchu drgające z a pomocą uniw ersalnego miernika SM - 231, - c z a s aktywacji (w g tabl. l ) ,

~ wytrzym ałość zapraw y ( y ^ po 3 dniach i po 28 dniach ( y 2 ) , - wytrzymałość betonu ( y 3 ) po 28 dniach

T a b l i c a 1 D ziedzina eksperymentu

--- --- ---

Czynniki zmienne O z na- Jednos- _jednostkow y z/łk r es zmienności

kodowe rry - 2 -1 0 1 2

C za s aktywacji V

x i minuty 1 2 3 4 5

% udział aktywowanego za czy n u w zaprawie lub

betonie X 2 % 10 20 30 40 50

W/C aktywowanego z a 

czy n u cem entowego X3 - 0,6 0,7 0,8 0,9 1.0

(4)

22 M .B o łtr y k , A .P ie tr o w W celu a n aliz y ró w n o c ze sn e g o wpływu trz e c h wym ienionych czynników n a p ięciu poziom ach, p rz y program ow aniu b a d a ń p o słu ż o n o s ię tec h n ik ą planow ania e k s p e ry mentu, w y k o rzy stan o w tym c e lu n a s tę p u ją c e program y (w sp ó łau to r mgr J* G r y c u k );

1. Wielomian - dla u z y sk a n ia s ta ty s ty c z n y c h z a le ż n o ś c i w a rto ści y od w ielkości n iez ale żn y c h - czynników zm ien n y ch x i w formie a lg e b ra ic z n e g o wielomianu:

y - a o + “1 * 1 * --- a kx k + a l l x l +~ " a i j xixj + — a kkx k ^— ' “ l l l* 3 +~ , g d zie p o sz u k iw a n e w spółczynniki w y stę p u jąc e w alg eb raiczn y m wielomianie, w sp o s ó b liniowy, o k re ś la się wg metody n ajm n iejszy ch kwadratów.

2. GRA P P - g ra fik a d o ap ro k sy m ac ji d a n y c h d o św iad czaln y ch . 3. !ZO - do a n a liz y dw óch zm iennych Xj na funkcję w y jśc ia y (.

4. GRAF IZO - do ilu stra cji graficzn ej u z y sk a n y c h z a le ż n o ś c i.

5. OPTIMA - do s z u k a n ia ekstrem um funkcji.

6. ANAUZA DYSPERSYJNA - do a n a liz y sto p n ia wpływu w szy s tk ic h czynników n a funkcję w y jścia y ^ .

S to so w n e o b liczen ia p rz ep ro w a d zo n o n a IBM PC w K a te d rz e TiOB P olitechniki B iało sto ck iej. U w zględniając o p raco w an y program "Wielomian" i charakter e k s p e ry  mentu postanow iono z a s to s o w a ć pian ortogonalny, k tó ry p o słu ż y ł do o p raco w an ia program u b ad ań (tab lica 2) .

T a b l i c o 2

Nr P rogram b ad ań Wyniki bad ań

s e rii

* 1 X2 X3 y i

(M P a) y 2

(M P a)

y 3 (M P a )

1 3 30 0,8 15,40 45,37 32,6

2 3 50 0,3 15,28 43,35 27,04

3 4 20 0,8 14,15 40,90 28,02

4 5 20 0,7 14,95 40,40 25,40

5 5 50 0.9 15,10 39,00 29,10

6 5 30 0.6 18,28 44,90 23,40

7 4 10 1,0 15,18 34,82 23,23

8 3 40 0,6 15,74 38,87 27,60

9 2 40 1.0 ^15,50 42,45 26,00

10 1 30 1.0 12,77 37,40 27,20

1 1 1 30 1,0 14,42 40,25 23,35

12 1 50 0,7 13,11 39,20 33,85

13 2 10 0,9 14,46 37,18 25,00

4. Wyniki b ad ań

Z a le ż n o ś c i m iędzy czynnikam i zmiennymi x. a w y trzy m ało ścią n a ś c is k a n ie z a praw y normowej i betonu p rz e d sta w io n o w p o sta c i tr z e c h rów nań r e g r e s j i , ( a p ro -

ksym ujących krzyw ą d o śiziad cżaln ą z o k re ś lo n ą w a ria n c ją ( W) , błędem a p ro k s y macji ( z ł A ) o ra z w spółczynnikiem k o relacji (R k ) (w tabl. 3).

(5)

Z asto so w an ie prsepiyw ów tu r b u le n tn y c h . . . 3.

t a b l i c a 3

Równania r e g re s ji i ten o szacow an ie

Funkcja regresji O szaco w an ie

W, % A A

R k Y j - 14,8853 + 0,6S84x1 + 1 . 6 0 5 5 ^ -

-

0

,

2771

X

3

X

3

- 0,4121x j

*

3,800 0,5681 0,9'064

X

3

* + ll,5 4 4 9 X j

2

x3 + 13,7747X3X22

1,084 0,3009 0,9942

Na ry s . 2,3,4 z o b raz o w a n o i zoli ni et dla kolejnych dw óch zm iennych w p rzy p a d k u w ytrzym ałości z ap ra w y po 3 d n iac h . Układ izolinfi n a r y s .2 dla z a le ż n o ś c i y l “ f ^x l* x2^ PoeWiłła u sta lić wpływ c z a s u aktyw acji ( s ^ ) i % z aw a rto śc i akty

w o w an eg o z a c z y n u n a w y trzy m ało ść w c z e s n ą z ap ra w y ( y , ) . w tym p rzy p ad k u dia u z y s k a n ia optymalnej w ytrzym ałości zap ra w y , c z a s aktyw acji pow inien w ynosić od 4 do 5 minut a n ie z b ę d n a ilo ść z a c z y n u w g ra n ic a c h 30 - 40 %. M aksym alną w ytrzym ałość z ap ra w y u z y s k a s ię dla c z a s u aktyw acji 5* i 35% aktyw ow anego c e mentu (w s to s u n k u do n iea k ty w o w a n eg o ). Z r y s . 3 d la y - { (x ^ , x 3 ) w ynika z kolei, ż e n a jb a rd zie j siabtne w yniki w ytrzym ałości u z y s k a s ię dia c z a s u aktyw acji od 4 - 5 minut p rz y W/C (ak ty w o w an eg o z a c z y n u ) , w p rz e d z ia le 0,85 - 1,00. Na ry s, 4 d la y - i( *2, *3) układ izolinii w s k a z u je , ż e możliwe j e s t u z y sk a n ie warto

ś c i e k strem aln y c h o W/C m 0,6 - 0,75 je ż e li ic h z aw a rto ść w zap raw ie b ęd zie wy

n o siła 25-353i>.

R easu m u jąc n a le ż y stw ie rd z ić , ż e n a w ytrzym ałość w c z e s n ą zap raw y (y ^ ) n a z a c z y n ie aktyw owanym ró w n o rzęd n y wpływ mają w szy stk ie ro zp atry w an e czyn

niki te c h n o lo g ic zn e . Optymalne ich w a rto śc i p rz e d sta w ia ją s ię w s p o s ó b n astęp u ją

cy;

- c z a s aktyw acji: 4’ ^ Xj ^ S ‘ )

- 3Ł z a w a rto śc i z ac zy n u : 25 x2 4 0 , - W/C aktyw ow anego z a c z y n u : 0,8 ^ ^ 1 .0 ,

Podobny c h a r a k te r z a le ż n o ś c i u z y sk a n o w p rz y p a d k u a n a liz y wpływu zmien

n y ch Xj n a w ytrzym ałość z a p ra w y po 2& d n ia c h n a tu ra ln e g o tw ardnienia.

y 2 - i ( x j . * 2. * 3 )

Z kolei dla wytrzym ałości betonu po 28 dniach uzyskano następujące za

le ż n o ś c i ( z przyczyn edytorskich izolinu nie przedstaw iono)|

(6)

1. B o ł t r y k M.: Korpus kulam oienom enołogiczne ujęcie p rocesów komprymacji i a - ktywacji grubodyspersyjnych ośrodków ciągłych . XXXII Konferencja Naukowa KŁ i W PAN i KN PZITB. Kraków - Krynica 1986, t.5, s . 23 - 29.

2. G u s i e w B.:f K o w a l c z y k R. # B o ł t r y k M, T a n a j e w s k i A . : Wibracyya aktywacja cementu. Z. N. Politechniki B iałostockiej. NT - Budownictwo N 2#1984 s . 109 — 121.

3. B a i r d M.H.J. Vibrations and pulsations-bane or blessing? British Chemical En

gineering V .l l , 1966, No 1, p. 20 - 25.

4’ S. y H*K* ? P o sta w a c h wibracji betonu inaczej. Archiwum Inżynierii Lądowej Tom XXX, Z. 4/1984, s . 699 - 709.

1. Przeprow adzone badania potwierdzają c elo w o ść stosow ania aktywowanych z a c z y  nów cementowych do zapraw i betonów.

2. Optymalna zaw artość aktywowanego z a cz y n u w zaprawach powinna w ynosić 25 - 40%, a w betonach 20 - 30%.

3. Aktywacja turbulentna najbardziej je st sk u teczn a dla zaczynów cementowych o w / c - 0,7 - 1,0 przy c z a s ie aktywacji 3 - 5 minut.

(7)

Z a sto so w a n ie przepływ ów t u r b u l e t n y c h . . . 35

APPLICATION OF TURBULENT PLOW IN ACTIVATION PROCESS OF CEMENT

S u at st a r y

In this paper are presented a conception of technology of activation cement paste

V /C

a 0,7 - 1,0 in utilization of turbulent flow. Ther are settled parameters of process of activation optimum contents of

activiting cement paste in mortar and concret.

nPHMEHEHME TYPSYnEHTHbIX 3ATOnjIEHHbl X CTPYi! B nPOUECCE AKTHBAUHH UEMEHTA V P e e cn e

B c T a T K n p e , a n o * e H O T e x Ho n o r « » ¿ k t k b s l u h h u e w e H T H o r o T e c T a c B / I I = 0 , 7 - 1 , 0 c

H c n o n b 5 0 8 ż H H e n T y p o y n e H T H w x c r p y f t . P a . 3 p a 6 o T a H O n a p a « e T p u n p o u e c c a h

o r i p e a e n e H O o n T H K a n t H o e K o n H i e c T B O a K T H B H p o B a H H o r o u e r i e H T H o r o T e c T a b

p o c r s o p a x h 6 e r o H a x .