Одним из отличий, создаваемых за рубежом геополимеров, является литьевая технология формования. Эта технология требует повышенных расходов воды, что снижает прочностные показатели материала. Для снижения водопотребности смесей и повышения прочности затвердевшего материала применяются суперпластификаторы. Однако эффективность суперпластификаторов в сильнощелочных растворах, которые являются активаторами твердения геополимерных материалов, значительно снижается [3-5].

Целью настоящей работы является сравнительное исследование эффективности различных суперпластификаторов в зависимости от pH жидкой фазы в суспензиях, приготовленных из тонкоизмельченных горных пород.

Оценка эффективности суперпластификатора производилась по величине водоредуцирующего эффекта (ВР), численное значение которого рассчитывалось по формуле

где (В/Т)н и (В/Т)п – водоцементные отношения контрольного состава и состава с пластифицирующей добавкой при равных показателях консистенции.

Консистенция суспензии оценивалась по диаметру ее растекания на стеклянной пластине [6]. Для исследований использовался цилиндрический вискозиметр диаметром 16 мм и высотой 30 мм. Подбирая расход жидкости, получали суспензии с равными расплывами – 40 ±1 мм.

Порошки горных пород магматического происхождения для приготовления суспензий получали помолом в лабораторной шаровой мельнице. Тонкость помола характеризовалась удельной поверхностью S_yд, которая определялась на приборе ПСХ-2. В эксперименте были исследованы следующие горные породы:

- диабаз с S_уд= 340 м²/кг;

- аплит-гранит с S_уд = 630 м²/кг;

-гранит с S_уд= 700 м²/кг;

- дацит с S_yд= 600 м²/г.

В качестве добавок были исследованы суперпластификаторы различной химической природы. Характеристики добавок приводятся в табл. 1.

Таблица 1 – Характеристика добавок

Добавка в количестве 0,5 % вводилась в порошок и тщательно перемешивалась до затворения водой. Для приготовления суспензий были использованы растворы NaOH с различными показателями pH, которые контролировались с помощью рН-метра. В эксперименте применялись растворы со следующими водородными показателями – 7; 9,2; 13,05; 14,1.

Суспензии готовились в фарфоровой чаше диаметром 50 мм по следующей процедуре: порошок высыпался в чашу со щелочным раствором и перемешивался в течение 3 минут фарфоровым пестиком. Затем суспензия выливалась в цилиндрический вискозиметр, установленный на стеклянную пластину. Вискозиметр медленно поднимался, диаметр расплыва суспензии измерялся штангенциркулем.

Результаты определения водопотребности суспензий и водоредуцирующий эффект исследованных суперпластификаторов при различных значениях pH жидкой фазы представлены в табл. 2.

Анализ экспериментальных данных, представленных в табл. 2, показывает, что характер влияния водородного показателя на водоредуцирующий эффект суперпластификаторов для каждой горной породы имеет общие черты. Так, почти для всех добавок, кроме Melflux 1641 F, для диабаза и аплит-гранита при повышении pH с 7 до 9,2 происходит снижение ВР, затем при pH 13,04 наблюдается повышение ВР, а при pH 14,1 – его снижение. На граните и даците зависимость ВР от pH носит такой же волнообразный характер, как для Melment F10, Peramin SMF 20 и Melflux РР 200 F. Для других пластификаторов снижение ВР незначительно или отсутствует.

Наиболее важной закономерностью установленной в исследовании, является снижение водоредуцирующего эффекта суперпластификаторов при повышении водородного показателя жидкой фазы суспензии более 13. Это можно объяснить тем, что все исследованные добавки были разработаны для использования в цементных системах, в которых pH жидкой фазы определяется насыщением ее гидролизной известью (рН~ 12,4); поэтому оптимальные значения pH жидкой фазы для суперпластификаторов находятся в области pH 12-13. Водородный показатель щелочных растворов для активации твердения сополимеров имеет более высокие значения, в связи с чем эффективность суперпластификаторов в таких системах значительно снижается.

Наиболее высокие значения ВР в сильнощелочных системах отмечаются на диабазе и даците у добавки Melflux 1641 F, а на граните и аплит-граните – у добавки Peramin SMF 20.

Следует отметить, что наименьшее влияние изменение pH оказало на эффективность Melflux 1641 F в суспензии на основе дацита, что в совокупности с высоким водоредуцирующим эффектом этой добавки – около 60 % – открывает большие возможности по повышению прочности или удобоукладываемости геополимерного материала на основе этой горной породы.

Таблица 2 – Влияние различных суперпластификаторов на водопотребность минеральных суспензий и водоредуцирующий эффект в зависимости от pH жидкой фазы

Проведенные исследования позволяют отметить, что для создания геополимерных вяжущих по литьевой технологии и снижения водопотребности сырьевых смесей могут использоваться суперпластификаторы, которые эффективны в щелочной среде. Экспериментом установлено, что с вяжущим на основе диабаза и дацита в сильнощелочной среде хорошо работает СП Melflux 1641F. Для вяжущих на основе аплит-гранита в щелочной среде лучше использовать СП Melflux 164IF и Peramin SMF20, а для вяжущего на основе гранита только Peramin SMF20.

Одним из известных способов дробления горных пород, является электроимпульсный метод, когда разрушения происходит при формировании канала электрического разряда внутри твердого тела, помещенного в жидкость [1].

Для формирования канала разряда внутри материала необходимо создать такую форму импульса, при которой электрическая прочность окружающей среды была бы выше, чем прочность разрушаемого материала [2]. Поэтому для разрушения твердых материалов импульсными разрядами необходимо знать их электрическую прочность. На рисунок 1 представлены вольт-секундные характеристики пробоя некоторых горных пород и технической воды на косоугольных импульсах напряжения положительной полярности. Из рисунка следует, что необходимо использовать импульсы со скоростью нарастания напряжения от 100 кВ/мкс до 1500 кВ/мкс. При выборе уровня напряжения импульса следует ориентироваться на градиенты напряжения 5 – 25 кВ/мм [3].

Рисунок 1 – Вольт-секундные характеристики пробоя:

1 – кварца, 2 – гранита; 3 – песчаника; 4 – технической воды

Изучение механизма, обеспечивающего избирательность разрушения горнорудного сырья электроимпульсным методом, показало, что можно выделить следующие стадии. На стадии формирования разряда в горной породе канал разряда проходит по областям расположения локальных электрических неоднородностей, то есть включений (зерен, кристаллов) и границ их срастания с пустой породой [4]. Таким образом, канал разряда проходит по границе раздела “минерал – вмещающая порода”, создавая предпосылки для их разделения. Когда канал разряда сформировался, то в нем выделяется энергия генератора импульсов за короткий промежуток времени ~10^-6 с, при этом в канале разряда практически мгновенно повышается температура до 2×10^{4 0} К, а давление достигает 10⁹ Па [5]. В результате чего, канал разряда расширяясь генерирует ударную волну и волны сжатия, которые двигаясь в неоднородной среде, формируют механические напряжение внутри горной породы. Это создает условия для результативного дробления и отделения извлекаемых минералов от пустой породы, а также плазма разряда не вносит посторонних веществ в готовый продукт. Применение электрической искры в качестве рабочего инструмента также снимает проблему его стойкости.

Для осуществления электроимпульсного метода дробления использовалась высоковольтная установка. В качестве источника высоковольтных импульсов, использовался пятиступенчатый генератор импульсных напряжений, позволяющий формировать импульс с напряжением до 250 кВ с энергией в импульсе до 600 Дж при частоте следования импульсов 5 Гц.

Важной частью установки является рабочая камера (рисунок 2), которая предназначена для размещения в ней горной породы и разрушения ее в водной среде импульсными электрическими разрядами. Камера включает в себя следующие элементы: разрядную камеру, высоковольтный электрод, электрод-классификатор, сборник. Объем камеры составляет 15 л. Исходная крупность сырья загружаемого в камеру до 30 мм, а конечная крупность получаемого продукта до - 1 мм.

Рисунок 2 – Внешний вид рабочей камеры

Высоковольтная установка (рисунок 3) работает следующим образом. В рабочую камеру загружается горная порода и она заполняется водой. Импульс высокого напряжения передается от генератора к высоковольтному электроду, расположенному в разрядной камере. Параметры импульса таковы, что обеспечивают внедрения канала разряда в породу в параллельной системе «жидкость – твердое тело». Импульсы подаются непрерывно, пока все сырье не будет разрушено до нужного размера. Готовый продукт проходит через заземленный электрод-классификатор и поступает в сборник.

Рисунок 3 – Схема высоковольтной установки:

1 – зарядное устройство; 2 – генератор импульсных напряжений; 3 – импульс напряжения; 4 – высоковольтный электрод; 5 – разрядная камера; 6 – горная порода; 7 – канал разряда; 8 – электрод-классификатор; 9 – сборник; 10 – готовый продукт

Опыт эксплуатации установки подтвердил высокую степень вскрытия минералов. В таблице 1 представлены результаты вскрытия зерен вольфрамита, при измельчении вольфрамитовых руд состоящих из отдельных фрагментов крупностью 30 мм на электроимпульсной установке. Крупность зерен вольфрамита в породе колебалась в пределах от 0,1 до 12 мм. Так же были проведены сравнительные испытания на лабораторной щековой дробилке.

Таблица 1 – Степень вскрытия зерен вольфрамита

Из таблицы видно, что применение электроимпульсного метода позволяет более эффективно извлекать вкрапления минералов из горной породы, чем при механическом. Следует отметить, что при электроимпульсном дроблении зерна минералов не имеют технологических повреждений, тогда как при механическом способе до 15 % зерен повреждено. Следует отметить, что при электроимпульсном разрушении вскрытие кристаллов и зерен минералов происходит при крупности сырья в 2 – 3 раза большей, чем размеры включений, чего не удается достичь при механических методах дробления.

Анализ физических явлений при электроимпульсном разрушении горных пород указывает на возможность получения готового продукта с более равномерной характеристикой крупности по сравнению с механическими способами, что связано с отсутствием истирающего эффекта, характерного для традиционных аппаратов. Также уменьшается степень загрязнения готового продукта аппаратурным металлом.

Средневзвешенный износ экскаваторного парка по сроку службы, эксплуатируемого на железорудных карьерах РФ, превышает 1,1÷2,5 раза. Значительный износ имеют экскаваторы ЭКГ-8И, который составляет 85-100%, как и у экскаваторов ЭКГ-5 (5А) [1, 2].

В последнее время наблюдается увеличение случаев разрушения элементов металлоконструкций экскаваторов, влекущих длительные простои и необходимость проведения долгосрочного ремонта техники.

Основными причинами отказов рукояти экскаваторов с зубчато-реечным напором типа ЭКГ являются: динамические нагрузки, превышающие допустимый уровень; форма конструкции, приводящая к высокой концентрации напряжений; последствия ремонтных воздействий; относительно низкая квалификация машинистов.

Значительное число отказов металлоконструкций экскаваторов типа ЭКГ-5А приходится на отказ рукояти – 27 % (рис. 1) [1].

Рис. 1. Структура отказов металлоконструкций экскаваторов типа ЭКГ-5А

Оценка влияния квалификации машинистов на надежность рукояти экскаваторов типа ЭКГ-5А подробно рассмотрена в работе [1] обработаны данные хронометражных наблюдений за работой экскаваторов типа ЭКГ-5А при экскавации горной массы в конкретных условиях эксплуатации (рис. 2.).

Рис. 2. Распределение отказов рукояти экскаваторов типа ЭКГ-5А

В работах [1, 2, 4, 5], в ходе проведенных исследований установлено, что наибольшее количество отказов связано с проявлением пиковых нагрузок вследствие низкой квалификации машинистов (табл. 1).

Таблица 1. Результаты исследований

Необходимо также отметить, что в настоящее время методика, позволяющая, продлевать срок безаварийной эксплуатации  экскаваторов или управлять их долговечностью при разработке взорванных горных пород отсутствует. Существуют лишь методы расчета статической, динамической и усталостной прочности металлоконструкций экскаваторов, которые используются на стадии их проектирования. За основу в этих расчетах принимается положение о нормативных нагрузках значительно отличающихся от фактических, действующих на оборудование [3].

Для наиболее точных расчетов и решении задач прогнозирования ресурса металлоконструкций экскаваторов, разработана компьютерная программа, в которой в полной мере учтено: влияние  квалификации машинистов, характеристики горных пород и подготовленность горной массы к экскавации; характер формирования нагрузок во времени (рис. 3).

Функциональные возможности разработанного программного продукта позволяют: выбирать тип экскаватора; учитывать стаж работа машинистов по специальности; характеристики горной массы при экскавации в ковше; емкость ковша; сечение балки рукояти.

Рис. 3. Интерфейс программы

Таким образом, полученные данные позволяет определить режимы эксплуатации экскаватора, при которых будет достигаться максимальная долговечность конструкции рукояти.