CC BY
25
ПРИКЛАДНАЯ ХИМИЯ И ХИМИЧЕСКАЯ ТЕХНОЛОГИЯ
УДК 691.541
Н. С. Шелихов, Р. З. Рахимов, Р. Р. Сагдиев, О. В. Стоянов
ГИДРАВЛИЧЕСКАЯ ИЗВЕСТЬ И РОМАНЦЕМЕНТ НА МАГНЕЗИАЛЬНОМ СЫРЬЕ. ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ И ДЛИТЕЛЬНОСТИ ОБЖИГА НА ПРОЧНОСТЬ ВЯЖУЩИХ
Ключевые слова: обжиг, гидравлическая известь, романцемент, прочность.
Представлены результаты влияние температуры и длительности обжига магнезиального сырья при получении гидравлической извести и романцемента на прочность вяжущих. Показана возможность получать вяжущие с прочностными показателями, превышающими известные аналоги.
Кеу words: calcinations, hydraulic lime, romancement, strength.
The results of the influence of temperature and duration of calcinations of magnesia raw materials in the process of obtaining the hydraulic lime and romancement on the strength of the binders are presented.. The ability to get binders with strength, exceeding the rates of known analogues is shown.
Введение
Сущность переработки карбонатного сырья для получения низкообжиговых гидравлических вяжущих состоит в создании условий для синтеза веществ, способных к гидравлическому твердению, то есть образованию при гидратации водостойких соединений. Основной технологической операцией при этом является обжиг сырья в интервале температур 800-1100° С. Известно, что в этом интервале температур протекают твердофазовые реакции между СаО и БЮ2, СаО и АЬОз, СаО и Бе20з.
Параметры обжига сырья создают среду, в которой формируется качественный и количественный состав гидравлически активных минералов обуславливающий прочностные свойства вяжущих.
Цель работы: установить влияние температуры и длительности обжига карбонатно-глинистого доломитизированного сырья на прочностные свойства низкообжиговых гидравлических вяжущих -гидравлической извести и романцемента.
Материалы и методы исследования
Для исследования использовались карбонат-но-глинистые смеси из доломита Матюшенского месторождения РТ и глины Кощаковского месторождения РТ.
Карбонатно-глинистые смеси были составлены в соответствии с коэффициентом насыщения (КН) от 0.7 до 1,7. Сырье обжигалось в виде муки в пробе массой 1кг в лабораторной муфельной печи марки МП-2У с автоматическим регулятором температуры и времени обжига.
Сырьевые смеси обжигались в широком тем-пературно-временном интервале. Температуры и длительность обжига лабораторных проб представлены в табл. 1.
Результаты и обсуждение
Ранее [1] было установлено, что режим обжига 9000С х5 часов обеспечивает полный набор гидравлически активных минералов, однако для выяв-
ления основных закономерностей обжига необходимы статистические методы.
С этой целью был использован метод математического планирования эксперимента.
Определение оптимальных параметров режима обжига проводилось на следующих составах (табл. 1).
Таблица 1 - Составы сырьевых смесей
№ КН д : г* Содержание, % Модуль основ.
доломит глина
1 0,70 2,5 71,6 28,4 1,30
2 0,80 2,8 73,9 26,1 1,42
3 0,90 3,1 75,9 24,1 1,54
4 1,0 3,6 78,2 21,8 1,70
5 1,3 4,6 82,2 17,8 2,03
6 1,5 5,8 85,3 14,7 2,38
7 1,7 6,4 86,6 13,4 2,55
*/д - доломит; г - глина
Составы рассчитаны по КН и представляют собой муку с удельной поверхностью 8уд=250 м2/кг.
В качестве переменных факторов приняты:
Х1 - коэффициент насыщения, КН;
Х2 - температура обжига;
Хз - продолжительность обжига, час.
Задача разбита на две: для романцемента; для гидравлической извести.
Границы области изменений факторов определялись на основании проведенных исследований и технических возможностей решения задачи.
Кодированные и натуральные переменные факторы представлены в табл.2.
Таблица 2 - Кодированные и натуральные переменные факторы
Первый фактор Второй фактор Третий фактор
Х! КН Х2 температура Х3 выдержка
основное основное основное
значение значение значение
Х1О Х2о Х3о
0,8; 1,3* 850 210
интервал интервал интервал
варьирования варьирования варьирования
АХ! ах2 АХ3
0,1; 0,4* 100 90
*/ для гидравлической извести
В качестве параметра оптимизации (функция отклика) принят У- предел прочности при сжатии вяжущих в возрасте 28 суток, МПа.
Рассчитанные коэффициенты уравнения регрессии для романцемента представлены в таблице 3. Уравнение представлено в виде полинома второй степени (1). Присутствует эффект взаимодействия.
Таблица 3 - Коэффициенты уравнения регрессии для романцемента
В0 В1 В2 В3 В12
-504,47 409,459 0,7416 0,1782 -0,01785
В13 В23 В11 В 22 В 33
0,00926 -3Е-05 -240,98 -0,0004 -0,0003
Y = В0 + В1Х1 + В2Х2 + В3Х3 + В12Х1Х2 + В13Х1Х3 + В23Х2Х3 + В11Х1 + В22Х2 + В33Х3 (1)
Оценка статистических характеристик показала, что уравнение адекватно.
Рассчитанные коэффициенты уравнения регрессии для гидравлической извести представлены в таблице 4. Уравнение регрессии представлено в виде полинома второй степени (2). Присутствует эффект взаимодействия.
Таблица 4 - Коэффициенты уравнения регрессии для гидравлической извести
В0 В1 В2 В3 В12
-210,55 27,212 0,4089 0,19555 0,023214
В13 В 23 В11 В22 В33
0,0179 0,0001 3,0862 0,00019 0,0001
Y —В0 + В1Х1 + В2Х2 + В3Х3 - В12Х1Х2 - В13Х1Х3 - В23Х2Х3 - В11Х1 - В22Х2 - В33Х3 (2)
Оценка статистических характеристик показала, что уравнение адекватно
Приведем графическую интерпретацию результатов экспериментов и расчетов.
га С
Температура1-. С
Рис. 1 - Зависимость прочности романцемента от температуры и коэффициента насыщения. Длительность обжига 240 минут
На рисунке 1. представлен двухпараметриче-ский объемный график зависимости прочности вяжущего от температуры обжига и от состава смеси, характеризуемой коэффициентом насыщения КН.
График в виде выпуклой поверхности с двухосным перегибом по области температур 850-9500С и КН =0,8. Для определения точки максимума используем линии равных уровней (рис..2). Точка максимума прочности со значением 22 МПа с координатами - температура 9000; КН=0,82.
Область максимума соответствует составам романцемента. По направлениям от точки максимума прочность монотонно снижается.
1000
о о п: т о о.
875
т,° с
0,7 °.75 0,8 0,85 0 э 0,95 10 ен
750
Рис. 2 - Линии равных уровней прочности ро-манцемента
Для гидравлической извести объемный график не имеет области максимума (рис 3).
Перегиб присутствует только по одному направлению, по направлению изменения температуры коэффициента насыщения КН. По существу, поверхность для гидравлической извести является продолжением поверхности романцемента от сечения с КН=0,9 в большую сторону.
го С
О о. с
917
Температура
750 ос:
Рис. 3 -Зависимость прочности гидравлической извести от температуры и коэффициента насыщения. Длительность обжига 240 минут
Линии равных уровней (рис.4) показывают направление к максимуму, находящемуся в области романцемента.
Объемная картина дает общее представление о характере протекающего процесса, процесса обжига. Детали процесса можно установить анализом плоских графиков с одним изменяемом параметром
о к я*
о
Й-
0 9 1Д1 117 1 3 1:43 1:57 1'7 ЕН
Рис. 4 - Линии равных уровней прочности гидравлической извести. Длительность обжига 240 минут
Характер изменения прочности по оси температур представлен графиками на рисунках 5 и 6.
На графиках показаны зависимости, являющиеся сечением объемных фигур на рисунках 1 и з плоскостями по фиксированным коэффициентам насыщения (КН=0,7; КН=0,8; КН=1; КН=1,3; КН=1,7)
Зависимости на рисунке 5 характеризуют ро-манцемент, а на рисунке 6- гидравлическую известь. Кривые изменения свойств вяжущих, как для романцемента, так и для гидравлической извести, имеют максимум в интервале температур 850-9500С. Очевидно, это оптимальные значения температур.
При дальнейшем повышении температуры, выше 9500С, прочность вяжущих начинает снижаться. На взгляд авторов это происходит по двум причинам.
?5
20
а л
15
10
2
1 * А ■ —_ <
Ал
Vе
700
800
900
1000
1100
Температура, С
Рис. 5 - Зависимость прочности от температуры обжига сырья и КН. Выдержка 4часа: 1 -КН=0,7; 2 - КН=0,8; 3 - КН=1
Первая - поскольку одним из компонентов вяжущего[2] является М^О (до 23%), который при высоких температурах кристаллизуется в высокотемпературную, малоактивную форму - минерал «периклаз», происходит снижение прочности. Кроме того, в дальнейшем «периклаз» оказывает негативное воздействие на структуру твердеющего вяжущего.
Вторая - основной гидравлически активной фазой вяжущего является белит (2СаОБЮ2), образующийся в интервале температур 750-9500С в количестве до 30%. При повышении температуры обжига (1000°С и более) активность белита падает, вследствие роста зерен и увеличения степени их кристалличности, что тоже способствует снижению прочности.
14
12
С 10 2
1
г ♦
//
/
/
7011 и00 МО 1000 Темпергаура обжига. °С
1100
Рис. 6 - Зависимость прочности от температуры обжига сырья и КН. Выдержка 4 часа: 1 -КН=1,3; 2 - КН=1,7
Падение прочности при повышении температуры обжига у гидравлической извести больше, чем у романцемента. Это связано с относительным содержанием белитовой фазы, которая больше у ро-манцемента (до 40% в настоящем исследование) и вследствие этого, при прочих равных условиях, больше сохраняема при повышении температуры, по сравнению с гидравлической известью.
Временной фактор процесса обжига влияет на прочность подобно температуре. Объемный график на рис. 7, построенный для романцемента по двум параметрам - КН и длительности обжига, представляет поверхность с максимумом. Максимум с координатами 240 минут и КН=0,8. Значение максимума прочности - 22 МПа такое же, как и на графике, рис.1.
Для гидравлической извести объемный график не имеет области максимума (рис 8). Перегиб присутствует только по одному направлению - изотермической выдержки (240 мин). Объясняется это следующим.
Рис. 7 - Зависимость прочности романцемента от КН и длительности обжига сырья
И романцемент, и гидравлическая известь -производные одной системы Са0-8Ю2 -А1203-Ре20э.
Если в области романцемента (КН=0,7 - 1,3), в зависимости от температуры и длительности обжига в результате твердофазовых реакций достигаются определенные сочетания между оксидами при температурах 800-950 0С, приводящие к образованию максимального количества гидравлических минералов, например С28 - 30,8%, и экстремальным значениям прочности (выпуклость поверхности), то в области гидравлической извести (КН> 1,3) поверхностные экстремумы нивелируются большим содержанием СаО (18-29%), не обладающим гидравлической активностью.
На рис. 9 и 10 представлена деталировка поверхностей по температуре и длительности обжига
Кривые изменения прочности вяжущих имеют максимум в интервале длительности обжига от 200 до 300 минут. Очевидно, это оптимальные временные значения.
При дальнейшем увеличении длительности обжига прочность вяжущих начинает снижаться. Объяснение приводилось выше.
300
210
Выдержка, 120 мин
Рис. 8 - Зависимость прочности гидравлической извести от КН и длительности обжига сырья. Температура обжига 850 0 С
23
21
19
гг. 17
с
S 15
А
:> П
О
И 11
'Л С 9
3 Угг 4 2
1 У
100 200 300
Длительность обжига, мин
400
Рис. 9 - Зависимость прочности от температуры и длительности обжига сырья. КН=0,8 (романцемент): 1-750 0С; 2 - 850 0С; 3- 950 0С; 4 - 1000 0С
Рис. 10 - Зависимость прочности от температуры и длительности обжига сырья. КН=1,3 (гидравлическая известь): 1 - 750 0С; 2 - 850 0С; 3 -9500С; 4 -1000 0С
Рассматривая температуры процесса обжига, следует отметить, что обжиг при температуре 7500С не рационален и используется в работе только для установления закономерностей. На рис.8 и 9 имеется довольно значительный прочностной промежуток между кривой изменения прочности при температуре 7500С и другими кривыми. Причем последние очень близки друг к другу, что свидетельствует об одинаковом характере процесса обжига для кри-
вых 2, 3, 4 с температурой обжига - 850 0С; 950 0С и 1000 0С
Выводы
Таким образом, анализ установленных зависимостей прочности вяжущих от температуры, длительности обжига и коэффициента насыщения позволяет определить параметры оптимального режима обжига. Они следующие:
- температура обжига 850 - 950 0С;
- изотермическая выдержка 200 - 300 мин;
- сырье в виде муки с удельной поверхностью 8уд=250 м2/кг при КН=0,8 для романцемента и КН=1,3 для гидравлической извести.
Прочность романцемента - 22 МПа.
Прочность гидравлической извести - 13
МПа.
Литература
1. Шелихов Н.С., Сагдиев Р.Р., Рахимов Р.З., Стоянов О.В. Романцемент низкотемпературного обжига// Вестник Казанского технологического университета, 2013, т.16, №19, с.62-66.
2. Шелихов Н.С., Рахимов Р.З., Сагдиев Р.Р., Стоянов О.В. Гидравлическая известь и романцемент на магнезиальном сырье. Влияние температуры и длительности обжига на активность Mg0 // Вестник Казанского технологического университета, 2014, т.17, №2. - С. 119123.
© Н. С. Шелихов - канд. техн. наук проф. КГАСУ; Р. З. Рахимов - д-р техн. наук проф. зав. каф. КГАСУ; Р. Р. Сагдиев -ассистент КГАСУ; О. В. Стоянов - д-р техн. наук проф., зав. каф. технологии пластических масс КНИТУ, [email protected].
© N. S. Shelikhov - candidate of technical sciences, professor of Kazan State University of Architecture and Engineering (KSUAE); R. Z. Rakhimov - doctor of technical sciences, professor of KSUAE; P. P. Sagdeev - post-graduate student of KSUAE; O. V. Stoyanov - doctor of technical sciences, professor, Department of technology of plastic materials KNRTU, [email protected].
