CC BY
118
АППАРАТЫ ВИХРЕВОГО СЛОЯ В ПРОИЗВОДСТВЕ
БЕЗОБЖИГОВЫХ АНГИДРИТОВЫХ ВЯЖУЩИХ
МИРСКАЯ М.В.
РГСУ
В настоящее время гипсовая промышленность в основном выпускает строительные изделия на основе гипсовых вяжущих веществ, получаемых путем низкотемпературного обжига природного сырья до полугидрата сульфата кальция. Другие виды гипсовых вяжущих веществ - безобжиговые и высокообжиговые, сегодня имеют ограниченное использование. Это обусловлено необходимостью продолжительного помола гипсового сырья совместно с активизаторами твердения при производстве безобжиговых гипсовых вяжущих веществ и значительными расходами энергии при получении высокообжиговых, а также длительным периодом твердения искусственных конгломератов, получаемых на основе этих вяжущих [1]. Однако, достижения науки и техники последних лет, а именно развитие новых методов измельчения сырья, а также способов формования изделий, вновь делают весьма перспективным применение этих вяжущих веществ в современном строительстве.
Результаты проведенных нами исследований показывают, что указанные выше недостатки безобжигового ангидритового вяжущего могут быть частично или полностью устранены с одной стороны за счет использования для его получения мельниц с вихревым слоем ферромагнитных элементов, а с другой - применением для формования изделий ме-
тода жесткого прессования под высокими удельными давлениями.
В аппаратах с вихревым слоем ферромагнитных элементов измельчение ангидритового камня происходит вследствие ударных воздействий, что приводит не только к увеличению удельной поверхности получаемого вяжущего вещества, но также и к росту дефектности его частиц [2]. Большое значение имеют продолжительность действия силы, которую оказывают ферромагнитные элементы на измельчаемый материал и частота ее приложения. Измельчение тем интенсивнее, чем большая прикладывается к измельчаемому материалу сила, чем меньше продолжительность действия этой силы и больше частота ее воздействия. Ангидритовое вяжущее вещество с высокой удельной поверхностью и развитой дефектностью отдельных частиц должно обладать и повышенной гидратационной активностью [3].
В настоящей работе исследовали влияние продолжи -тельности измельчения природного сырья в мельнице с вихревым слоем ферромагнитных частиц на свойства получаемого ангидритового вяжущего вещества и прессованных мелкозернистых бетонов на его основе.
Для получения вяжущего использовали гипсоангидритовый камень Шедокского месторождения Краснодарского края, встречающийся на данном месторождении в виде подстилающего слоя в залежах гипсового камня. Вследствие незначительного содержания двуводного гипса (менее 30 %) гипсоангидритовый камень не используют в качестве сырья
для производства обжиговых вяжущих веществ, а также и в других целях.
В качестве активизатора твердения применяли гашеную воздушную известь, в количестве 5 % от массы гипсоангидритового камня. С целью компенсации вредного влияния извести на прочность и водостойкость получаемого искусственного конгломерата [1] в состав вяжущего дополнительно вводили кремнеземистый компонент - вулканический пепел Заюковского месторождения Ставропольского края в количестве 15 % от массы гипсоангидритового камня.
Гипсоангидритовый камень, известь и пепел совместно измельчали в лабораторной установке с вихревым слоем ферромагнитных частиц в течение от 30 до 210 с.
Соотношение между ферромагнитными элементами и загружаемым материалом приняли 1:1. Ферромагнитные элементы имели диаметр 1,2 и длину 12 мм, что соответствует l/d=10. Согласно результатам проведенных нами ранее исследований, соблюдение таких параметров обеспечивает наилучший эффект измельчения [4].
Тонкость помола получаемого ангидритового цемента определяли методом воздухопроницаемости на приборе Товарова.
Установлено, что с увеличением продолжительности измельчения сырьевых компонентов, практически пропорционально от 2615 до 6085 см /г возрастает удельная поверхность получаемого ангидритового вяжущего (таблица 1).
Следует отметить, что эквивалентную тонкость помола ангидритового камня в шаровых мельницах, традиционно
используемых в этих целях, можно достичь через 5-8 ч помола [1].
Таблица 1
Продолжи- тельность измельчения, сек Остаток, %, на сите № Прошло через сито №008, % Удельная поверхность, см2/г
02 008
30 18,1 12,7 69,2 2615
60 11,2 4,0 84,8 3700
90 2,7 3,7 93,6 3955
120 1,5 3,2 95,3 4545
150 1,2 2,3 96,5 5150
180 0,9 2,4 96,7 5600
210 0,8 2,0 97,2 6085
Как известно, тонкость помола минеральных вяжущих веществ является одним из важнейших факторов, определяющих физико-механические свойства композитов на их основе. Поэтому продолжительность измельчения сырья (Т, с) при производстве ангидритового вяжущего была принята в качестве исследуемого фактора при проведении экспериментально-статистического моделирования свойств прессованных мелкозернистых бетонов на его основе.
Использовали трехуровневый план проведения эксперимента Бокса, при числе факторов к = 3, являющийся одним из наиболее удобных при решении рецептурных и техно -логических задач. В качестве двух других исследуемых фак-
торов использовали соотношение между вяжущим и заполнителем в формовочной смеси (В/З) и ее влажность (М/, %).
Интервалы варьирования исследуемых факторов представлены в таблице 2.
Таблица 2
Код Значение кода Исследуемые факторы
Х1 - В/З Х2 - Т, с Хз - М/, %
Основной уровень 0 1 : 4 120 6
Интервал варьирования А одна часть заполнителя 60 1
Верхний уровень +1 1 : 3 180 7
Нижний уровень -1 1 : 5 60 5
Другие рецептурные и технологические факторы, были стабилизированы: давление прессования при изготовлении лабораторных образцов принимали 40 МПа, условия твердения образцов - влажные (28 сут в эксикаторе над водой при температуре 25±2 °С).
В качестве заполнителя для исследуемых мелкозернистых бетонов применяли фракционированный песок плотного зернового состава, с наибольшим размером зерен 5 мм, получаемый дроблением ангидритового камня.
В ходе реализации плана эксперимента исследовали изменение предела прочности при сжатии высушенных и насыщенных водой образцов, а также их средней плотности, пористости, водопоглощения по массе и по объему.
Полученные в результате реализации плана эксперимента полиномиальные экспериментально-статистические
модели (ЭС-модели) указанных выше исследованных свойств затвердевших прессованных мелкозернистых бетонов на основе ангидритового цемента имеют вид:
У = Ъ0 + Ъ1х1 + Ъ2 х2 + Ъ3 х3 +
+ ЪХ + Ъ22 Х2 + Ъ33 х32 + Ъ12 х1х2 + Ъ13 х1х3 + Ъ23 х2 х3
где У - исследуемое свойство; х1, х2, и х3 - исследуемые факторы;
Ь0, Ь1, Ь2, Ьз, Ьц, Ь22, Ьзз, Ь12, Ь1з, Ь2з,— коэффициенты регрессии полиноминальной модели;
Анализ полученных ЭС-моделей показывет, что в принятых интервалах варьирования исследуемых факторов, прессованные мелкозернистые бетоны на основе предлагаемого ангидритового вяжущего характеризуются широким диапазоном физико-механических свойств: прочность при сжатии в сухом состоянии изменяется в пределах 25,0-з5,7 МПа; то же в водонасыщенном состоянии - 12,5-20,2 МПа (рисунок 1). Коэффициент размягчения лабораторных образцов составил - 0,47-0,64;
з
средняя плотность - 2з40-2420 кг/м , водопоглощение по массе
- 4,4-6,0 %.
Как видно из графиков, представленных на рисунке 1, прочность материала, как в высушенном, так и в водонасыщенном состоянии уменьшается с увеличением соотношения между ангидритовым цементом и заполнителем, в принятых интервалах варьирования этого фактора. Однако значительно большее влияние на прочность прессованных композитов оказывает второй исследуемый фактор - продолжительность
измельчения сырьевых компонентов при получении ангидритового цемента. С удлинением времени помола от 60 до 180 с удельная поверхность получаемого вяжущего вещества увеличивается от з700 до 5600 см2/г, что закономерно способствует повышению его гидратационной активности и прочности затвердевших мелкозернистых бетонов.
Оптимизацию исследуемых факторов с целью получения мелкозернистых бетонов с наибольшей прочностью проводили по соответствующим квазиоднофакторным моделям, построенным по методике, приведенной в [5].
Квазиоднофакторные модели предела прочности лабораторных образцов в сухом состоянии имеют вид:
М1 = (1,419 + 0,5з7х2 + 1,254хз)х1 + 0,207х12 М2 = (1,79з + 0,5з7х1 + 0,21зхз)х2 - 2,41х22 Мз = (0,777 + 1,254х1 + 0,21зх2)хз - з,266х12
Графически квазиоднофакторные модели влияния соотношения между ангидритовым вяжущим и дробленым ангидритовым песком (М1), продолжительность измельчения сырьевых материалов в процессе получения вяжущего в мельнице с вихревым слоем (М2) и влажности формовочной смеси (Мз) на прочность сухих образцов представлены на рисунке 2.
Анализ этих моделей показывает, что компенсировать расход вяжущего при получении равнопрочных бетонов можно за счет увеличения тонкости его помола и повышения влажности формовочной смеси.
Как видно из графиков, оптимум второго и третьего исследуемого факторов всегда находятся в области эксперимента. Наибольшая прочность достигается, если второй исследуемый фактор находится между нулевым и верхним уровнем его варьирования, что соответствует примерно 150 с измельчения сырьевых компонентов при получении ангидритового вяжущего (модель М2). Удельная поверхность ангидритового вяжущего в этом случае составляет 5150 см /г. Увеличение тонкости помола вяжущего сверх оптимальной приводит к некоторому снижению прочности.
Анализ модели Мз показывает, что оптимальная влажность формовочной составляет около 6% (Хз = 0), но зависит от первого исследуемого фактора - соотношение между вяжущим веществом и заполнителем. Водопотребность смесей с соотношением В/З = 1:5 несколько понижается, а смесей с В/З = 1:з закономерно повышается.
Лабораторные образцы из мелкозернистых бетонов оптимизированных составов при разном соотношении между вяжущим и заполнителем характеризуются коэффициентом размягчения более 0,6, водопоглощением по массе менее 5 % и выдержали з5 циклов попеременного замораживания и оттаивания.
Таким образом, проведенные исследования показали возможность и перспективность производства безобжигового ангидритового вяжущего вещества путем кратковременного измельчения природного сырья в мельницах с вихревым слоем ферромагнитных элементов. Предлагаемая энергосберегающая технология получения вяжущего позволяет
расширить сырьевую базу для производства мелкоштучных стеновых изделий за счет комплексного использования ангидритового камня. Полученное ангидритовое вяжущее также можно использовать и в традиционных целях - для производства кладочных растворов, устройства бесшовных наливных полов, изготовления искусственного мрамора и для получения смешанных ангидритовых вяжущих.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1 . Ферронская А.В. Гипсовые материалы и изделия (производство и применение). Справочник. - М.: Издательство АСВ, 2004. - 488 с.
2 . Логвиненко Д. Д., Шеляков О.П. Интенсификация технологических процессов в аппаратах с вихревым слоем. - Киев: Издательство «Технка», 1976, -144 с.
3. Будников П.П., Гулинова Л.Г., Торчинская С.А. Гипсовые безобжиговые цементы. // Украинский химический журнал.
- 1955. - Т. 21 - Вып. 2. - С. 1 з6-1з9.
4. Каклюгин А.В, Козлов А.В., Мирская М.В. Получение безобжигового ангидритового вяжущего в аппаратах вихревого слоя. // Известия высших учебных заведений. Строительство.,
№ 8, 2007
5. Вознесенский В.А., Ляшенко Б.Л., Огарков Б.Л. Численные методы решения строительно-технических задач на ЭВМ. -Киев: Высш.шк., 1989. -з28 с.
а)
б)
в)
Влажность формовочной смеси, %
Влажность формовочной смеси, %
Влажность формовочной смеси, %
Рисунок 1 - Зависимость прочности мелкозернистых бетонов от влажности формовочной смеси а - удельная поверхность вяжущего вещества з700 см2/г, б - то же 4600 см2/г, в - то же 5600 см2/г;
(------) - высушенные образцы, (-------) - водонасыщенные образцы;
▲ - В/З=1:з, ■ - В/З=1:4, ♦ - В/З=1:5
Рисунок 2 - Квазиоднофакторные модели влияния соотношения между вяжущим и заполнителем В/З (Х-і), продолжительности измельчения Т (Х2) и влажности формовочной смеси W (Х3) на прочность сухих образцов из мелкозернистого бетона на безобжиговом ангидритовом вяжущем « + » - верхний уровень, « - » - нижний уровень
