К вопросу гидромеханохимической активации цемента при производстве бетона. Механическая активация цемента


1.3 Механическая активация цементного сырья и готового портландцемента

Активация вяжущих материалов, несомненно, является перспективным методом оптимизации использования природных и энергетических ресурсов в строительной индустрии. Повышение полезных свойств вяжущих материалов вследствие активации позволяет существенно снизить их расход при увеличении прочности изделий, сокращении времени набора марочной прочности, обеспечении более полного использования потенциальной энергии вяжущих материалов, снижении себестоимости.

Активация (тонкое измельчение) вяжущих и инертных материалов ведет к увеличению показателей удельной поверхности, существенному улучшению качества новообразованных поверхностей, разрушению ослабленных и структурно нестабильных частиц. При различных методах активации добиваются уменьшения размеров цементных зерен, достижения равномерного распределения воды в цементе, разобщения слипшихся цементных зерен (дефлокуляция теста), разрушения малопрочной первичной структуры и создания мелкокристаллической структуры цементного камня, увеличения числа коллоидных частиц в смеси. Происходит повышение активности цемента на 15-50%, ускорение его твердения [7].

Следует отметить, что активация цементных частиц в процессе измельчения – очень сложный, многоступенчатый процесс изменения энергетического состояния материала в условиях подвода механической энергии.

Известно, что цементный клинкер измельчают до высокой удельной поверхности, так как от его дисперсности зависит качество цемента. Кроме того, для улучшения твердения и обеспечения высокой прочности цементного камня необходимо регулировать гранулометрический состав вяжущего материала.

Наиболее благоприятными для получения прочного цементного камня являются фракции размером 3-30 мкм. Фракция менее 3 мкм существенно влияет только на прочность цементного камня в наиболее ранние сроки твердения. Быстро гидратируясь, она дает максимальную прочность цементного камня уже через 1 сутки. В тоже время крупные фракции, особенно более 60 мкм, гидратируются чрезвычайно медленно и почти не влияют на прочность цементного камня. Таким образом, чем выше содержание в цементе фракций 3-30 мкм, тем более высокое качество вяжущего. В обычных цементах содержание данной фракции не превышает 40-50%, в высокомарочных – 55 - 65%, а в особо прочных составляет свыше 70% [8].

Известно, что измельчение одного и того же цементного клинкера до одинаковой удельной поверхности в различных помольных агрегатах позволяет получать вяжущее, отличающееся различными физико-механическими свойствами. Обусловлено это тем, что образование новых поверхностей в измельчителе сопровождается множеством сопутствующих процессов. И один из них – процесс активации материала. В разных аппаратах эти процессы протекают с различной интенсивностью, они зависят от скорости нагрузки, вида напряженного состояния и др. Характеристики механического воздействия оказывают существенное влияние на процесс измельчения и активации. А это воздействует на измельчающую и активационную способность того или иного размельчителя.

На активационную способность измельчаемого материала оказывает влияние изменение структуры кристаллической решетки вещества, частичная аморфизация поверхностных слоев частиц, различные виды излучения, которыми сопровождается измельчение, изменение вида химических связей на поверхности и в глубинных состояниях вещества, электризация на поверхности и другие процессы.

Например, к электрическим и оптическим эффектам, наблюдаемым при измельчении, относятся различного вида люминесценции: хемилюминесценция, адсорболюминесценция, триболюминесценция, радикалолюминесценция. Возможно интенсивное свечение в результате ударной ионизации молекул газовой фазы электронами, покидающими измельчаемые частицы под действием сильных полей.

При измельчении ударным способом возникают короткоживущие (10-7 – 10-8с) локальные состояния микроплазмы – смесь ионов, электронов и возбужденных атомов. Данный процесс сопровождается образованием различных дефектов и дислокаций.

Осуществление активационных процессов происходит за счет энергии напряженного состояния измельчаемого материала, энергии упругих и пластических деформаций. При необходимости получать цемент с удельной поверхностью выше 2500 см2/г производительность шаровой мельницы быстро падает. Это обусловлено агломерацией мельчайших частиц и их налипанием на футеровку мельницы и мелющие тела.[9]

При струйном помоле в вакууме агломерация невозможна, так как зерно разбивается под действие собственной кинетической энергии. Мелкие зерна имеют значительно меньшую кинетическую энергию, чем крупные, и меньше подвергаются ударам. Этим объясняется избирательность струйного помола в вакууме и получение более сжатых гранулометрических кривых измельченных материалов [1].

Последнее время общими стали представления о том, что в процессе измельчения минералов в результате деструкции вещества происходит образование некомпенсированных связей атомов на поверхности частиц дисперсий, способных для химического взаимодействия. Как показали различные исследования при совместном измельчении (механохимической обработке), существуют возможности протекания определенных твердофазовых реакций между частичками твердых веществ [4].

Структурные дефекты в полиминеральных системах, подобным цементным, весьма сложны для исследований. В работе Бикбау М.Я. [4] были впервые экспериментально обнаружены и описаны дефекты в основных минералах портландцемента, а также показано, что интенсивность воздействия минералов с водой определяется ионностью–ковалентностью связей атомов (как основных, так и примесных) в кристаллических решетках минералов. В процессе измельчения цементного клинкера разрушение кристалликов минералов идет сначала по более слабым, хрупким стекловидным прослойкам, соединяющим микрокристаллы, затем зонам сопряжения, срастания кристаллов, плоскостям спайности, до выделения более мелких монокристаллов клинкерных минералов таким образом, что по Ребиндеру, сохраняются наиболее прочные, бездефектные кристаллики минералов.

По Бутту Ю.М. и Тимашеву В.В., при измельчении разрушение частиц происходит по участкам кристаллов со скоплением дефектов, возникающие при разрушении кристаллов новые поверхности покрыты электрическими зарядами с большой поверхностной плотностью. В местах разлома частиц кристаллов наблюдается мощная эмиссия электронов. В этом плане большее значение, чем собственная (внутренняя) дефектность кристаллов, имеет наведенная дефектность поверхности кристаллов, образовавшаяся в результате разрыва межатомных связей при деструкции кристаллов в процессе измельчения, тесно связанная с суммарной поверхностью и высокой активностью частиц цемента.

В работах по активации цемента путем его помола, в основном применяются однокамерные барабанные и вибрационные шаровые мельницы, малой и средней мощности. Т.е. для активации цемента используется помольное оборудование, энергоэффективность которого значительно уступает многокамерным барабанным мельницам большой производительности, используемым на цементных заводах [10].

В настоящее время помимо имеющегося обычного измельчительного оборудования для проведения механической активации широко применяются специально сконструированные ударно-отражательные аппараты – дезинтеграторы и планетарные мельницы. Создан и существует разнообразный парк лабораторных механохимических реакторов. В них можно активировать и синтезировать органические и неорганические вещества.

Стоит также отметить, что существуют комплексы глубокой активации на основе совмещения методов тонкого помола цемента с последующей вибро и гидроактивацией. Для комплексной активации характерно наибольшее увеличение вяжущих свойств цемента. Соответственно, марочная прочность бетонных изделий на основе активированных материалов будет значительно выше, а экономия цемента на производстве будет максимальной. Комплексная активация цемента включает в себя как работы по увеличению удельной поверхности цемента, либо иного вяжущего компонента, так и последующую гидроактивацию материала в смесителе-активаторе. Полученный активированный водоцементный раствор может быть использован для производства различных бетонных изделий и конструкций. Использование комплексной активации компонентов делает возможным применение для выпуска пенобетона либо полистиролбетона низкомарочного цемента, посредственного качества, превратив его в материал с отличными эксплутационными характеристиками, и выпуская на его основе теплоэффективные строительные материалы, полностью отвечающие требованию ГОСТа .

studfiles.net

способ механической активации цемента - патент РФ 2376067

Изобретение относится к области строительных материалов и изделий, а именно к области активации цементных растворов путем механического воздействия на них, и может быть использовано в строительстве. Способ активации включает загрузку цементного раствора в рабочую камеру с рабочими органами, воздействие на него за счет центробежной силы, сдвиговым усилием, возникающим в зазоре между неподвижной стенкой камеры и вращающимся рабочим органом, и выгрузку материала. Создают сдвиговые усилия более 40 Н при скоростях сдвига от 5 до 100 м/с. Частота вращения рабочего органа составляет до 1500 об/мин. Время пребывания цемента в камере составляет 5-10 с. Технический результат - повышение прочности цемента и увеличение срока активности цемента при хранении. 3 ил.

Рисунки к патенту РФ 2376067

Изобретение относится к области строительных материалов и изделий, а именно к области активации цементных растворов путем механического воздействия на них, и может быть использовано в строительстве.

Из уровня техники известно, что для повышения эффективности гидратации цемент активируют, уменьшая размеры частиц. Активность цемента существенно увеличивается при уменьшении размеров частиц менее чем до 1 мкм (Middendorf В., Singh N.B. Nanoscience and nanotechnology in cementitious materials // Cement International. 2006. № 4. Pp.80-86).

Известен способ механической активации цемента активаторами ударного типа (Липилин А.Б., Коренюгина Н.В., Векслер М.В. Селективная дезинтеграторная активация портландцемента. Строительные материалы, 2007, № 7, с.74-75). В аппаратах, использующих способ, таких как дезинтеграторы, шаровые и планетарные мельницы, струйные мельницы, не удается достичь тонины помола менее 1 мкм при приемлемых показателях надежности, энергоемкости и производительности. Из-за специфического характера поверхности частиц, полученных в результате ударных воздействий, происходит быстрая потеря активности при хранении. Потеря активности после ударного воздействия составляет до 40% в месяц.

Известен способ активации цементных растворов и бетонов, в котором активация происходит путем механического воздействия после выдержки, соответствующей продолжительности первой стадии процесса структурообразования, определяемой по полной кривой его кинетики (SU 310877, 09.08.1971).

Наиболее близким к предложенному изобретению является способ механической активации цемента, включающий загрузку цементного раствора в рабочую камеру, воздействие на него за счет центробежной силы сдвиговым усилием, возникающим в зазоре между неподвижной стенкой камеры и вращающимся органом, и выгрузку материала (Сапожников М.Я. Механическое оборудование предприятий строительных материалов изделий и конструкций. Москва, Высшая школа, 1971, с.142-144).

В данном способе не устранены перечисленные выше недостатки.

Задача, на решение которой направлено предложенное изобретение, заключается в создании такого способа механической активации цемента, который исключал бы указанные выше недостатки.

Технический результат, достигаемый при реализации данного изобретения, заключается в улучшении физико-механических характеристик цемента за счет повышения эффективности гидратации цемента посредством увеличения удельной площади поверхности, повышении прочности и увеличении срока активности цемента при хранении.

Указанный технический результат достигается в способе механической активации цемента, в котором цемент активируют сдвиговым усилием более 40 Н при скоростях сдвига от 5 до 100 м/с.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 изображен исходный цемент; на фиг.2 - цемент после ударной активации; на фиг.3 - цемент после активации его сдвиговым усилием.

Стабилизировать активность цемента при хранении возможно при активации его сдвиговым усилием. В заявленном способе механической активации цемента цемент активируют сдвиговым усилием более 40 Н при скоростях сдвига от 5 до 100 м/с.

Сдвиговые усилия достигаются в узком зазоре между неподвижной цилиндрической стенкой и вращающимся рабочим органом (рабочими органами), изготовленным из износостойкого твердого материала. Рабочий орган прижимается к стенке за счет центробежной силы.

Исходный цемент сверху непрерывно загружают в рабочую камеру. За счет центробежной силы цемент попадает в зазор между рабочим органом и неподвижной стенкой камеры и происходит смещение слоев цемента относительно друг друга. Выгружается снизу. Время пребывания цемента в камере 5-10 с. Силу и скорость сдвигового усилия регулируют выбором массы рабочего органа и скоростью его вращения.

При размерах рабочей камеры диаметр 500 мм, высота 400 мм получена скорость активации 0,06 м/с, что соответствует производительности 500 кг/час. Частота вращения рабочего органа до 1500 об/мин.

В этих условиях для марки портландцемента ПЦ400Д20 Себряковского завода получены следующие результаты. На чертежах приведены фотографии микроскопического исследования исходного цемента, цемента полученного ударной активацией и цемента, полученного сдвиговым усилием. Активность исходного цемента при пропаривании 210 кг/кв.см., активность цемента, активированного ударным воздействием 355 кг/кв.см., активность цемента, активированного сдвиговым усилием 364 кг/кв.см. Потеря активности за 28 суток последнего составила 7,4%, после ударного воздействия - 22,2%.

Предложенное изобретение позволяет получить изделия с высокими физико-механическими свойствами, сократить энергозатраты и продлить срок хранения цемента.

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

Способ механической активации цемента, включающий загрузку цементного раствора в рабочую камеру с рабочими органами, воздействие на него за счет центробежной силы сдвиговым усилием, возникающим в зазоре между неподвижной стенкой камеры и вращающимся рабочим органом, и выгрузку материала, отличающийся тем, что создают сдвиговые усилия более 40 Н, при скоростях сдвига от 5 до 100 м/с, частоту вращения рабочего органа до 1500 об/мин, время пребывания цемента в камере составляет 5-10 с.

www.freepatent.ru

Активация сырьевых смесей дает хороший результат при производстве неавтоклавного пенобетона

Посмотреть все статьи

 

Активация сырьевых смесей дает хороший результат при производстве неавтоклавного пенобетона

Пенобетоны неавтоклавного твердения позволяют сегодня решить проблему создания материалов с тепло- и звукоизоляционными свойствами. О результатах исследований, позволивших выявить положительное влияние механической и химической активации исходных смесей на свойства неавтоклавного пенобетона, мы попросили рассказать Виктора Федоровича Черных, руководителя кафедры “Производство строительных материалов, изделий и конструкций” Кубанского государственного технологического университета, кандидата технических наук.

В.Ф.: К преимуществам неавтоклавных пенобетонов можно отнести то, что они обладают закрытой пористостью, более низким водопоглощением, низкой стоимостью оборудования и, с точки зрения долговечности, неавтоклавный пенобетон продолжает набирать свою прочность, в отличие от автоклавного. В южном федеральном округе наблюдается заметный рост производства пенобетона, поэтому стоит задача по улучшению свойств этого материала. В частности, мы ставили перед собой цель получить прочностные показатели, сравнимые с автоклавными бетонами. Одним из путей решения является механическая активация.

Ее применение в цементных системах известно давно. Действительно, диспергирование и механическая активация оказывает большое влияние на поверхностные свойства минералов и пород: происходит заметное изменение физических свойств и химической активности вещества. Это объясняется не только увеличением

удельной поверхности и уменьшением размеров частиц, но и изменением структуры, в частности, аморфизацией поверхностных участков за счет протекания механохимических процессов. Следует отметить, что в активаторах без мелющих тел второй фактор должен преобладать, поскольку в этом случае изменение удельной поверхности будет гораздо меньше по сравнению с активацией в шаровых и вибромельницах.

Корр.: Давайте остановимся на проведенных исследованиях подробнее…

В.Ф.: Несмотря на кажущуюся простоту изготовления пенобетонных блоков, на практике встречаются трудности с получением материала средней плотности (700 кг/м3 и ниже) с достаточной прочностью. Поэтому на кафедре производства строительных изделий и конструкций КубГТУ проведена работа с целью улучшения показателей неавтоклавного пенобетона. Для исследования влияния механической активации смеси на свойства пенобетона был изготовлен лабораторный активатор объемом 6 л. Вращающие части расположены таким образом, что частицы смеси претерпевают максимальное количество соударений в единицу времени, а сама смесь задействована полностью при отсутствии так называемых “мертвых” зон в ее объеме. Скорость вращения вала составила 1000 об/мин.

В качестве вяжущего вещества применяли портландцемент М500 Новороссийского завода “Пролетарий”. Соотношение между вяжущим и мелким кварцевым песком, просеянным через сито 1,25, изменялось в зависимости от поставленной задачи. Количество воды подбиралось таким образом, чтобы подвижность растворных смесей без добавок и с добавками была одинаковой. Определение пластической прочности осуществляли на модифицированном подборе Вика, в котором игла для определения сроков схватывания была изменена на конус с углом при вершине 45. В качестве пенообразователя использовали ПБ-2000 (г. Иваново), ПБ-1 на основе вторичных алкилсульфатов натрия, разработанный сотрудниками ОАО “Новочеркасский завод синтетических продуктов” при участии сотрудников кафедр физики и производства строительных изделий и конструкций КубГТУ, а также их смесь. Пену получали в лабораторном пеногенераторе из 3 %-го раствора пенообразователя.

По химическому составу ПО ПБ-1 является синтетическим и углеводородным. В основе его производства — отечественное сырье, изготавливаемое на этом же предприятии. Для этого пенообразователя характерна экологичность (высокая биоразлагаемость), однако устойчивость пены в цементной системе недостаточно высока. Пенообразователь же ПБ-2000 дает устойчивую во времени пену, однако тормозит процесс взаимодействия цемента с водой в ранние сроки твердения. Поэтому было проведено исследование пены, полученной на основе смеси этих пенообразователей (рис. 1, 2).

Корр.: И каков результат?

В.Ф.: Анализ зависимостей на рис. 1 позволяет заключить, что при 25 % пенообразователя ПБ-1 и 75 % ПБ-2000 процесс водоотделения заметно замедляется по сравнению с исходным ПО ПБ-1. Проведенные опыты показали, что применение смеси пенообразователей улучшает стойкость пены в цементном тесте и предел прочности при сжатии (рис. 2).

С учетом полученных результатов для дальнейших исследований была использована смесь указанных пенообразователей в соотношении 1:1. На первом этапе было изучено влияние количества кремнеземистого заполнителя и времени активации на свойства пенобетона. Анализ полученных результатов показывает, что коэффициент конструктивного качества уменьшается с увеличением доли песка в смеси. Оптимальное время активации находится в пределах 4–8 минут. Для дальнейших исследований было принято соотношение между песком и цементом 1:6,5. С учетом предварительно проведенных экспериментов для химической активации была применена комплексная добавка, включающая CaCI2 и CaSO4 х 0,5 Н2O в количестве 1 % от массы вяжущего. Время механической активации изменялось от 2 до 10 минут.

Наилучшие показатели прочностных свойств и коэффициента конструктивного качества получены в диапазоне от 4 до 8 минут активации. Увеличение коэффициента конструктивного качества при этом составило 66–86 %.

Таким образом, при сочетании механической и химической активаций наблюдается значительный рост прочностных показателей и коэффициента конструктивного качества. Кроме этого, химическая активация способствует получению устойчивой пенобетонной системы, что особенного важно при изготовлении пенобетонных изделий с пониженной средней плотностью.

Корр.: Влияет ли состав цемента на эффект механической активации?

В.Ф.: Предварительными исследованиями установлено, что эффект механической активации зависит от минералогического состава цемента, в частности, он увеличивается в случае высокоалюминатных цементов. Поэтому низкоалюминатные цементы, например, Новороссийских цементных заводов, менее подвергались систематическому экспериментальному исследованию с целью ускорения набора прочности в ранние сроки.

Специальных цементов для производства ячеистых бетонов не выпускается, хотя их хотелось бы иметь. Цементы, которые бы быстро схватывались, быстро набирали прочность, чтобы они могли взять на себя укрепление структуры, когда пена начинает разрушаться. Нами испытаны портландцементы различных заводов с точки зрения пригодности для получения пенобетона и сочетания их с различными пенообразователями и химическими добавками. Установлено, что целесообразно использовать портландцементы Д-О, Д-20 и БТЦ новороссийского завода “Пролетарий” М500 при условии их соответствия стандарту по прочности и тонкости помола. Для получения пенобетона пониженной плотности (Д500-Д200) необходимо применять цементы марок 550 и 600, но они выпускаются в ограниченных количествах и имеют высокую стоимость. Поэтому можно применять дополнительный размол рядовых цементов (в т.ч. и с добавкой суперпластификатора), а также фракционировать цемент, отбирая тонкие фракции для получения пенобетона, а крупные — для обычных бетонов. Для этой же цели можно применять химические добавки.

Корр.: Расскажите о мокрой активации цемента. Как она влияет на свойства ячеистых бетонов?

В.Ф.: По данным НИИ Железобетона более эффективна мокрая активация цемента (по сравнению с сухим домолом) при водоцементном отношении не менее 0,5. Видимо, это обстоятельство было сдерживающим фактором широкого применения механической активации для тяжелых бетонов, когда при увеличении количества воды затворения (тем более, при использовании влажных заполнителей) сверх определенного предела наблюдается расслоение смеси и понижение прочности, преимущественно в ранние сроки.

При изготовлении ячеистых бетонов высокая водопотребность пенобетонных смесей не только не вредна в отношении расслоения смеси при избытке влаги, а наоборот — желательна (особенно при получении бетона низкой средней плотности). В этом случае не происходит отсос воды из пены, повышается стабильность пенобетонной массы, улучшаются свойства готового изделия. В то же время, активация цемента или цементно-песчаного раствора при В/Ц более 0,5 целесообразна и в технико-экономическом отношении: облегчается выгрузка и транспортировка суспензии и снижается расход электроэнергии, поскольку вода обеспечивает снижение прочности обрабатываемого материала. О целесообразности мокрого домола вяжущего вещества при повышенном водоцементном отношении идет речь в работах разных исследователей. Так, И. Н. Ахвердов отмечал, что воздействие различных механических колебаний ускоряет процессы пептизации и способствует увеличению количества гидратированных частиц, лучшему использованию цемента. В этом случае устраняется один из недостатков бетонов, полученных по обычной технологии, когда часть цементных зерен остается в качестве наполнителя, а не вяжущего.

Из практики известно, что портландцемент, особенно повышенной прочности, склонен к агрегированию и образованию флокул, что приводит к неполному использованию всех его потенциальных свойств. Можно полагать, что дополнительная активация цемента, например, добавкой кварцевого песка, позволит избежать образования флокул, а также улучшить качество поверхности частиц заполнителя в результате разрушения поверхностных неактивных слоев.

Корр.: С какими еще трудностями приходится сталкиваться производителям ячеистых бетонов? В каком направлении сейчас работают ученые кафедры?

В.Ф.: Серьезным недостатком ячеистых бетонов, в частности, неавтоклавных, является слабое сцепление со штукатурным слоем. Еще один недостаток — пониженная трещиностойкость. Он решается путем применения волокон, фибры. Исследования в этом направлении проводятся в Ростовском университете.

На кафедре производства строительных изделий и конструкций Кубанского технологического университета принято направление сочетания механической обработки и применения химических добавок. Причем, как мы убедились, проводя предварительные исследования, необходимо применение комплексных добавок, сочетание добавок разных классов и одного класса. У нас принято применение хлорида кальция, сульфата натрия (ускорителей твердения) и пластификатора — Линомикса. Это сочетание механической и химической активации позволяет ускорить набор классической прочности в ранние сроки и прочностных показателей как в ранние сроки, так и в 28-дневный срок.

Исследования показали, что классическая прочность 0,3 МПа эталонного образца достигается через 15 часов, а с применением механической и химической активации — через 8 часов. Т.е. процесс ускоряется. Через 28 суток прочность при сжатии и коэффициент конструктивного качества возрастает почти в 2 раза.

Это можно рассматривать как предварительные результаты. Исследования в этой области продолжаются. Например, проводится трехфакторный эксперимент, где переменными являются время активации и количество добавок — ускорителей твердения при постоянном содержании пластификатора Линомикса. Эксперимент позволил определить оптимальное содержание химических добавок и оптимальное время. Как раз для получения неавтоклавных ячеистых бетонов, в частности, пенобетонов, необходим серьезный подход к выбору вяжущего вещества и пенообразователей. Важно, чтобы их сочетание приводило к хорошему результату — получению качественного пенобетона с требуемыми свойствами.

Тщательное соблюдение технологии, подбор цемента и пенообразователей — все эти моменты должны учитывать те, кто начинает производство пенобетонов. Потребность в ячеистых бетонах есть, сейчас строительство активно развивается, но, чтобы обеспечить прибыль, необходимо дать хорошую производительность. И этому будет способствовать ускорение набора прочности или совместное применение пено- и газообразователей. В этом направлении ведется научная работа.

Беседовала Т. Давыдова

www.ibeton.ru

К вопросу гидромеханохимической активации цемента при производстве бетона

Строительніе статьи 1996

Содержание, %, частиц размером, мкм

Дисперс - |

| Цемент

9.

Более 65

30—65 |

5.8-30

Менее 5,8

Ность но I БЭТ, м2/кг 1

-

* Исходный,

[' без обработки

19,9

33.3

42,5

4,3

911

* После бетоносмесителя

31,7

34,9

31,3

2.1

1129

После мокрого домола | через 1 мин

7,9

22

58,5

1 1.6

1245

! После мокрого домола ; через 20 мин

34,1

40,6

24.5

0,9

1

© Е. Г. Величко, Д. Ф. Толорая, 199 <>

Развитие строительной индуст­рии в условиях роста цен на сырь­евые материалы требует более пол ного использования потенциальных возможностей последних. Поэтому проблема совершенствования каче­ства и полного использования вя­жущих свойств цемента как наибо­лее энергоемкого и дорогостоящего компонента бетона требует поиска новых путей интенсификации про­цесса его твердения, обеспечиваю­щих снижение энергетических и топливных затрат на изготовление строительной продукции.

Одним из эффективных техноло­гических приемов повышения каче­ства цемента, сокращения времени достижения цементными системами нормативной прочности и обеспе­чения более полного использования физико-химической энергии вяжу­щего в сроки, лимитируемые вво­дом изделия в эксплуатацию, явля­ются увеличение дисперсности и оптимизация его гранулометриче­ского состава.

Повышение темпа твердения це­ментных систем на основе гонко- дисперсного вяжущего на ранней стадии обусловлено увеличением скорости гетерогенных реакций, за­висящей от концентрации вещества и удельной поверхности.

Поэтому диспергирование це­мента, в том числе способом мок­рого домола, при котором содержа­ние мелких фракций (цо 30 мкм) увеличивается приблизительно в

2 раза (определено лазерным ана­лизатором), ускоряет процессы гид­ратации минералов клинкера и твердение цементной системы, осо­бенно в раннем возрасте, т. е. при кинетической стадии протекающих реакций. При этом мокрый домол цемента может быть особо эффек­тивен в присутствии пластифициру­ющих и суперпластифицируюших добавок, так как в результате адсорбции полярных молекул силы когезии, определяющие связь по­верхностных элементов кристалли­ческой решетки частиц цемента, уменьшаются на величину, обуслов­ленную адсорбцией [1], что позво­

24 ляет значимо интенсифицировать процесс их диспергирования.

Дисперсность и гранулометриче­ский состав цемента, активизиро­ванного способом мокрого домола, приведены в табл. 1.

В работе [1] показано также, что адсорбция (Г) Вызывает понижение поверхностного натяжения (а) на поверхности твердого тела на вели­чину А0 - аг = ИТГ к предельной области весьма малых Г. Действие адсорбционных слоев сводится к их двумерной миграции по поверхно­сти в устье микрошелей, которые, по Смекалю [2], всегда присутствуют в хрупких телах, до стерического препятствия, обусловленного собст­венными размерами адсорбирую­щих молекул и соответствующего критической толщине зазора в мик­рощели. В критическом зазоре ес­тественная граница адсорбционного слоя образует линейный барьер, на каждую единицу длины которого действует двумерное давление

Оо - ог в сторону дальнейшего про­движения в глубину микрощели, способствуя, таким образом, разви­тию микрощелей (при постоянстве внешних усилий) и нарастанию деформаций. Эффект означенного давления пропорционален увеличе­нию внешнего усилия /•" на величину Р — о„ - А, , заменяющую собой действие адсорбционных слоев и являющуюся их механическим экви­валентом.

При адсорбции из смачивающей жидкой среды (если деформируе­мое тело помещено в раствор поверхностно-активного вещества

— ПАВ) жидкость проникает в устья микрошелей под влиянием капил­лярного давления. При этом с ме­ниска отрываются молекулы наибо­лее поверхностно-активного компо­нента, которые мигрируют в первую очередь и покрывают поверхность щели со значительно большей ско ростью. чем всасывается жидкость в целом, испытывающая вязкое сопротивление. В части мнкроше - лей. заполненной жидкостью (вбли­зи устья), тонкая пленка жидкости, заполняющая зазор щели, может создавать дополнительное раскли­нивающее давление [3]. Это давле­ние служит мерой лиофильности твердого тела, его сродства с данной жидкостью, а поэтому может усили­ваться при адсорбции в результате соответствующей ориентации ад­сорбционного слоя.

Таким образом, процесс диспер­гирования цементных систем в по­мольных установках в присутствии добавок ПАВ, названный гидроме­ханической активацией цемента, может быть значимо интенсифици­рован и будет характеризоваться существенным сокращением расхо­да энергии на получение вяжущего вещества требуемого качества. При этом продолжительность мокрого помола (гидромеханохимическои активации) цементного теста до требуемой дисперсности может ока­заться соизмеримой с продолжи­тельностью приготовления бетон­ной смеси, что будет способствовать его внедрению в технологию про­изводства бетона и сборного желе­зобетона и обеспечению определен-

Таблица 1

Ного технико-экономического эф­фекта.

Экспериментальные исследова­ния по определению оптимальных параметров технологии гидромеха - нохимической активации цемента (ГМХАЦ) и изучению свойств бе­тона на его основе проводили с использованием низкоалюминатно го портландцемента ПЦ 400-Д 5 и среднеалюминатного ПЦ 500-Д 5 соответственно Белгородского и Воскресенского цементных заводов.

В качестве заполнителей для бе­тона применяли гранитный щебень Питкярантского месторождения фракционного состава, %: 5—10 мм

— 35 и 10—20 мм — 65, кварцевый песок Академического карьера с мкр = 2,1 и проходом 4 % через сито 0,16 мм. Песок но содержанию пылевидных и глинистых частиц удовлетворяет требованиям ГОСТ 10260-80.

Таблица 2

1 Расход компонен­тов, кг/м3

СП С-3, способ вве­дения, % от Ц

П р о долж ител ь - ность процес­са активации в вибромель­нице, мин

Прочность бето­на в возрасте 1 сут, после

Ц

В

В вибро - мельницу

В бетоно­смеситель

ТВО

Тверде­ния в НУ

| 350

209

_

23,5

5,5

100

100

350

169

0,9

10

33,8

10,6

144

192

344

150

1,6

10

29,6

11,6

126

211

335

146

2

10

33,8

10,1

144

184

344

158

2,5

10

33,2

114

141

217

368

163

0,9

10

31

15,3

132

218

368

142

1,6

10

42,2

15,4

180

280

350

152

2

10

41,3

14,4

176

256

350

152

2,5

10

36,4

13,5

154

245

Примечание. Здесь

И в табл. 3

, 4: Ц — цемент; П — песок;

В — вода;

Значе-

Ния прочности бетона над чертой — в МПа. под чертой —

В %.

В качестве минеральных добавок использовали тонкодисперсный кварцевый песок, доменный грану­лированный шлак Череповецкого металлургического комбината с мо­дулем основности 0,96 и кислую золу ТЭС-22, образующуюся от сжигания каменных углей, а в каче­стве химических добавок — супер­пластификаторы (СП) С-3 по ТУ

6- 14-625—80 Минхимпрома и ФОК, синтезированный во ВНИИ- железобетоне по ТУ-75-06804-71- 88. В качестве добавки, регулирую­щей твердение бетона на основе ГМАХЦ, применяли двуводный гипс.

В процессе исследований изуча­ли влияние продолжительности ГМХАЦ на синтез прочности бетона с варьированием содержания до­полнительного количества гипса, различного вида тонкодисперсных минеральных добавок (кварцевого песка, доменного гранулированного шлака, золы ТЭС) цемента, супер - пластификатора С-3 и способа его введения в бетон (в мельницу или в бетоносмеситель), влияние темпе­ратуры изотермического прогрева, которая принималась равной 80, 60, 50 и 40 "С. Проведены также

Исследования по оценке эффектив­ности использования ГМАХЦ с до­бавкой ФОК, которая вводилась в состав бетона в определенном ко­личестве, равном дозировке добав­ки СП С-3. Прочность бетона опре­деляли в возрасте 1 и 28 сут после тепловлажностпой обработки

(ТВО), а также 28 суг после твер­дения в нормальных условиях (НУ), с использованием образцов-кубов размером 10 ж Ю х ю см.

ГМАХЦ осуществлялась в лабо­раторной вибромельнице типа

СВМ-2 с объемом барабана 10 л, массой мелющих тел (шаров диа­метром 10—12 мм) 37 кг. Бетонные смеси приготовляли в лаборатор­ном бетоносмесителе принудитель­ного действия: диаметр барабана 600 мм, высота 350 мм, число лопастей — 4, угол атаки 90°, угол резания 45 — 60", частота вращения 24 об/мин, скорость на конце лопасти 85 м/с.

Проведенные исследования пока­зали, что оптимальная продолжи­тельность активации цемента спо­собом мокрого домола без супер­пластификатора составляет 10 мин, а с СП С-3 — 2—4 мин, т. е. процесс диспергирования цемента в присут­ствии СП сокращается в 2,5—5 раз. При этом оптимальное содержание добавки СП С-3 в бетоне на акти­вированном цементе колеблется в пределах 1,2—2,2 %.

Установлено также, что наиболь­ший эффект от использования СП С-3 в цементных системах, активи­рованных способом мокрого домо­ла, обеспечивается при его введе­нии в вибромельницу (табл. 2). Для проведения экспериментальных ис­следований применялись бетонные смеси марки по удобоукладываемо - сти П 2 (ОК = 6—7 см).

Исследования, в частности, пока­зали (табл. 2), что оптимальное содержание СП С-3 в бетоне при­нятого состава и удобоукладываемо - сти смеси составляет 1,6 %. При

Этом составе наблюдались мини­мальная водопотребность

(142 л/м3) и максимальная прочно сть, превышающая на 80 % проч­ность контрольного состава в воз­расте 1 сут после ТВО и в 2,8 раза в том же возрасте после твердения в НУ. При этом значимое превыше­ние прочности (на 36—69 %) на­блюдается и относительно бетона, приготовленного с добавкой СП С-3, которую вводили в бетоносме­ситель.

Учитывая, что эффективность ак­тивации цемента в вибромельнице значимо зависит от водоцементного отношения, провели соответствую­щие исследования с бетонами и растворами. Установлено, что опти­мальное значение водоцементного отношения в вибромельнице без СП С-3 находится на уровне 0,4, а при содержании СП С-3 в количестве

2 % — на уровне 0,3—0,34 (табл.

3). При оптимальном содержании СП С-3 прочность ГМХАЦ превы­шает прочность исходного цемента в возрасте 1 сут после ТВО при­близительно в 1,5 раза, а после твердения в НУ в 3,83 раза. При этом расплыв конуса раствора при водоцементных отношениях 0,365 и

0, 336 был больше, чем расплыв конуса контрольного состава, и по­этому следует ожидать, что они характеризовались бы более высо­кой прочностью при их изготовле­нии из изопластичных смесей.

Очевидно, что оптимальное во - доцементнос отношение ГМАХЦ будет зависеть от химико - минераль­ного и вещественного составов цемента, его дисперсности, вида и содержания добавок ПАБ, продол­жительности активации и должно экспериментально уточняться в каж­дом конкретном случае.

Таблица 3

Продолжи­тельность 1 ГМХАЦ, мин

Содержа­ние СП С-3 в мельнице,

%

В/Ц в мельнице

Расход компонентов, г

Расплыв конуса, см

Прочность раствора, в возрасте 1 суг после

Ц

П

В

ТВО

Твердения н НУ

-

500

1500

216

107

23,1

4,1

100

100

4

0,4

500

1500

200

111

24,7

4,8

107

117

4

2

0,365

500

1500

182

137

26,1

8,8

113

215

4

2

0,336

500

1-500

168

126

34,3

1-5.7

148

383

4

2

■ 0,274

500

1500

172

107

27

1 1,6

1

1_ 117

282

Таблица 4

Расход компонентов, кг/м3

СП С-3, % от расхода Ц в бетоне

Параметры ГМАХЦ

Прочность бетона в воз - [ расте 1 суг после ||

И

Исходный | после домо - 1- 1

В

Продолжи­

Тельность,

Мин

СП С-3, %

15/И

'I 'НО

Тнсрдеппя в 1 11У

I

1 -

357

173

10

0.4

20,6

6.6

100

100

-

350

148

1,6

8

4.6

0.3 I

22.2

14

108

212

227

123

149

1,6

2

4.6

0,3 I

23.1

8.9

112

135

227

123

150

1,6

4

4.6

0,31

28

5

136

75

| 227

123

150

1,6

8

4.6

0,31

31.7

4.4

1

1

154

67

1 341

210

_

_

16,9

3.7

I

100

100

-

350

195

10

_

0,4

21,1

8.3

|

125

224

I 227

123

179

И,55

■у

1,6

0,3 I

25,6

5.2

1

И

151

140

5 227

123

179

0.55

4

1,6

0,3 1

15,2

4.5

I 49

122

Ч

227

123

179

0,55

8

1.6

0,3 1

27,9

9.4 :

1

165

254

Ранее одним из авторов было установлено, что синтез дисперсно­го состава цемента из двух фракций может обеспечить значительный прирост его прочности (на марку и более). Поэтому были проведены исследования по гидромеханохими - ческой активации части цемента (от 20 до 100 %), которые показали техническую целесообразность та­кого технологического приема. В частности, по влиянию на темп твердения и рост прочности цемен­тных систем, а также обозначена возможность применения помоль­ных установок малой мощности для организации ГМХАЦ в производст­венных условиях.

В качестве примера в табл. 4 представлены результаты по ГМХАЦ в количестве 35 % от общего расхода цемента на замес. Показано, что частичная активация цемента (35 %) с СП С-3 (1,<> % от суммарного содержания цемента в бетоне) в течение 4—8 мин повы­шает прочность бетона в возрасте 1 сут после ТВО относительно бетона на активированном цементе в течение 10 мин без СП С-3 на 36—54 %, а после твсрдсиия в НУ на 35 % (продолжительность акти­вации 2 мин). Такое повышение прочности бетона эквивалентно экономии цемента в количестве 17—27 %.

При использовании частичном (35 %) активации цемента и течение 2—8 мин и содержании СП С-3 вмельнице в количестве 1,6 %, что составляет 0,55 % от суммарного содержания цемента в бетоносме­сителе, прочность бетона на его основе в возрасте 1 сут после ТВО превышала прочность бетона на исходном цементе на 49—65 %, а па активированном в течение

10 мин без СП С-3 на 24—40 %. При этом следует отметить высокие реологические характеристики (те­кучесть) цементного теста после активации с СП С-3, позволяющие использовать для его транспорти­рования бетоно - или пневмокамер - ные насосы.

Кроме того, исследования ГМХАЦ показали целесообразность увеличения содержания гипса в его составе на 2—2,5 %, обеспечиваю­щего повышение прочности бетона на 20—40 %, возможность осуще­ствления его тепловой обработки при температуре прогрева 40—60 °С в зимнее время.

Установлено также, что ГМХАЦ является эффективным технологи­ческим приемом, обеспечивающим возможность значимого повышения содержания минеральных добавок в многокомпонентных цементных си­стемах и соответственно снижение их себестоимости. Так, при введе­нии в состав ГМХАЦ кварцевого песка, золы ТЭС и доменного гранулированного шлака без СП С-3 экономия цемента составляет соответственно 30, 50 и 80 %.

Исследования свойств бетона на ГМХАЦ показали, что его основные эксплуатационные характеристики (деформативные свойства, морозо­стойкость) находятся на уровне кон­трольного состава.

Таким образом, проведенные ис­следования показали высокую эф­фективность * использования ГМХАЦ в присутствии суперпласти - фикатора С-3 в технологии произ­водства бетона и сборного железо­бетона, обеспечивающую интенси­фикацию производства, значимую экономию цемента (20—80 %) и топливно-энергетических ресурсов, а также снижение себестоимости готовой продукции. Следует также отметить, что исследования пробле­мы ГМХАЦ требует фундаменталь­ного развития в плане дальнейшей разработки технологических пара метров, совершенствования серий­ного и создания нового помольного оборудования.

П. ФЕДИН, г ф ТАРАСОВ, кандидаты техн. наук (Нижегородская государственная архитектурно-строительная академия)

,С каждым годом расширяется область применения вибрацион­ная техники и технологии в строи­тельстве. Широкое распростране­ние получили вибрационный ме­тод уплотнения бетонных смесей, вибрационные методы выгрузки и транспортирования сыпучих мате­риалов и т. д. …

(В порядке постановки вопроса) Одной из проблем технологии бетона является создание стандарт­ной методики но оперативному подбору рациональных составов тяжелого бетона. Разработке тако­го стандарта в определенной степе­ни мешает отсутствие общеприз­нанной простой …

Опубликован аналитический обзор видного ученого и области технологии керамических стеновых магери - алон И. А. Альперовича, посвященный подробному анализу современных отечественных и зарубежных способов предотвращения высолов на керамическом кирпиче 11 …

msd.com.ua


Смотрите также