Интенсификация процессов твердения цементного камня на основе цементной суспензии и суперпластификатора Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 666.9

М.В. РЫБАКОВА, инженер (marina-rybakova@yandex.ru), В.Д. БАРБАНЯГРЭ, д-р. техн. наук,

Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова

Интенсификация процессов твердения цементного камня на основе цементной суспензии и суперпластификатора

Качество цемента во многом зависит от его помола. Измельчение в цементной промышленности является одной из наиболее трудоемких и энергоемких операций. Около 50 % электроэнергии, затрачиваемой в производстве цемента, расходуется на помол цементного клинкера [1].

Тонкий помол способствует росту суммарной поверхности частиц, что повышает гидравлическую активность цемента, особенно в начальные сроки твердения [2]. Увеличение дисперсности, как правило, влечет за собой снижение производительности мельниц. Поэтому усилия многих исследователей направлены на поиски путей интенсификации процессов тонкого измельчения.

Помол в водной среде способствует лучшему измельчению зерен цемента благодаря понижению их твердости и адсорбционному диспергированию [3]. Проведенный 60 лет назад С.В. Шестоперовым с сотрудниками [4, 5] мокрый помол клинкера и домол цемента мокрым способом в промышленных условиях показал, что при этом увеличивается тонкость помола и производительность мельницы, а затраты электроэнергии уменьшаются. Однако из-за недостаточной изученности процессов способ не нашел дальнейшего развития и применения.

Целью данной работы является энергосбережение и получение высокопрочных изделий на основе механо-химической активации цементной суспензии мокрого помола с применением поликарбоксилатного суперпластификатора (СП).

В качестве исходных компонентов в работе применялись следующие материалы: цемент ЦЕМ I 52,5Н и клинкер ЗАО «Белгородский цемент»; поликарбокси-латный суперпластификатор (СП) Melflux® 2651F производства немецкой фирмы «SKW Polymers».

Мокрый помол предварительно дробленого клинкера состоял в следующем: фракция клинкера (2,5—1,25 мм) и гипс (5%) размалывались в присутствии воды (В/Ц = 0,6) в лабораторной шаровой мельнице. Получаемая при этом суспензия имела растекаемость 70±4 мм. Время мокрого помола составляло 38 мин, что соответствовало времени помола цемента по сухому способу до удельной поверхности 300+10 м2/кг. При этом удельная поверхность цемента мокрого помола была в 2 раза больше (600+10 м2/кг).

Продукты помола исследовались методом лазерной гранулометрии на приборе MicroSizer 201. Данные приведены на рис. 1. Из представленных данных следует, что при мокром помоле содержание частиц менее 5мкм, определяющих прочность в начальные сроки твердения, составляет 29%, что в 2 раза больше, чем в цементе сухого помола (13%). Дифференциальная кривая мокрого помола цемента сдвинулась относи-

тельно кривой сухого помола в сторону более высокой дисперсности.

Для получения теста нормальной густоты в цементную суспензию мокрого помола добавлялся сухой молотый клинкер с удельной поверхностью 300±10 м2/кг, количество которого составило 57% от общей массы твердой фазы в полученном цементном тесте. Водоце-ментное отношение при этом стало 0,26. В результате получалось тесто комбинированного помола цемента с удельной поверхностью 450 м2/кг.

Гидравлическую активность цементов определяли в малых образцах с размером ребра куба 1,41 см в возрасте 2, 7 и 28 сут твердения при нормальной густоте цементного теста. Результаты испытаний (рис. 2) свидетельствуют о различных темпах нарастания прочности цементов. Наивысшей прочности за 2 сут достигает цемент комбинированного помола — 40 МПа, тогда как прочность цемента сухого помола составила 36 МПа. Вероятно, это обусловлено более высоким содержанием мелкой (до 5 мкм) фракции. Прочность цемента комбинированного помола к 28 сут составляла 80 МПа, а прочность цемента сухого помола — 75 МПа.

Особенности процессов гидратации исследовали с помощью рентгенофазового анализа по изменению интенсивности дифракционных максимумов основных клинкерных минералов и продуктов гидратации в процессе твердения (рис. 3).

Дифракционные отражения, соответствующие портландиту (ё, А: 4,94; 1,93; 1,80), у цемента комбини-

Размер частиц, мкм 1*, 2*- интегральное распределение частиц при мокром

и сухом помоле соответственно 1, 2 - весовое распределение частиц по фракциям при мокром и сухом помоле соответственно

Рис. 1. Зависимость массовой доли частиц от их размера

www.rifsm.ru 55

■f: ■ научно-технический и производственный журнал

Ы - ® август 2010

80

70

60

50

40

30

20

10

2 7 28

Время твердения, сут

□ комбинированный помол

□ сухой помол

Рис. 2. Интенсивность нарастания прочности твердеющих цементов

1 - комбинированный помол

2 - сухой помол

Рис. 3. Рентгенограммы продуктов гидратации цементов в возрасте 28 сут

рованного помола более интенсивны, чем в цементе сухого помола (рис. 3). Это обусловлено повышенной степенью гидратации алита, что подтверждается уменьшением дифракционного максимума СзS (линия 1,77 А). Таким образом, дополнительно подтверждается зависимость прочностных свойств цементного камня от интенсивности процессов гидратации.

С целью снижения водопотребности цементной суспензии (В/Ц=0,6) и повышения ее подвижности применялся высокоэффективный поликарбоксилат-ный суперпластификатор (СП) нового поколения Melflux® 265Ш, обладающий сильным пластифицирующим эффектом. СП добавлялся в лабораторную мельницу перед мокрым помолом (В/Ц = 0,3) вместе с клинкером и гипсом с концентрацией 0,3%. Время помола соответствовало времени помола по сухому способу.

Получаемая при этом суспензия имела растекаемость 95±2 мм. Количество добавляемого сухого молотого клинкера (300 м2/кг) составляло 20% от общей массы твердой фазы в полученном цементном тесте при водо-цементном отношении 0,24.

На начальной стадии исследования характеристик цементной суспензии мокрого помола использовалась методика подбора СП Melflux® на текучестемере МХТИ ТН-2 с коническим кольцом [6].

СП Melflux® увеличивает текучесть цементной суспензии в несколько раз при неизменном В/Ц = 0,6. При снижении водопотребности смеси в 2 раза (с = 0,3%) получалась подвижность раствора 95 мм.

Прочность цементных образцов, полученных мокрым помолом с применением СП Melflux® (рис. 4), в возрасте 28 сут выше на 27% по сравнению с сухим по-

2 7 28

Время твердения, сут

□ мокрый помол (0,3%) МеШих®

□ сухой помол

Рис. 4. Интенсивность нарастания прочности цементов

90

80

70

60

50

40

30

20

10

2 7 28

Время твердения, сут

□ мокрый помол 30 мин

□ мокрый помол 20 мин

□ сухой помол 38 мин

Рис. 5. Интенсивность нарастания прочности цементов при различном времени помола

0

0

www.rifsm.ru научно-технический и производственный журнал ¡Д^ |'3

56 август 2010

Вид помола Время помола, мин Растекаемость, мм Удельная поверхность, м2/кг

Мокрый 38 95 600

Мокрый 30 118 438

Мокрый 20 170 323

Сухой 38 - 300

молом. Прирост прочности через 2 сут составляет 119%, через 7 сут — 59%.

С целью энергосбережения время мокрого помола с суперпластификатором сократили с 38 мин до 30 и 20 мин. При этом В/Ц= 0,3 и концентрация СП МеШих® (0,3%) не изменялись. Характеристика цементной суспензии, полученной при различном времени помола, представлена в таблице.

Из данным таблицы следует, что мокрый помол позволяет добиться такой же удельной поверхности, как при сухом помоле, и снизить энергозатраты в два раза.

Прочность цементных образцов с размером ребра куба 1,41 см в возрасте 2, 7 и 28 сут, полученных при сокращении расхода электроэнергии с применением СП МеШих®, определяли при нормальной густоте цементного теста (рис. 5).

Как видно из рис. 5, при мокром помоле в течение 20 мин с добавкой 0,3% МеШих® прочность цементных образцов выше относительно сухого помола в возрасте 2 сут на 44% и на 19% через 7 сут.

Проведенные исследования показывают, что данное увеличение прочности позволяет сократить расход цемента в бетонных изделиях и увеличить объем выпуска

продукции за счет сокращения времени технологического цикла.

Следовательно на основе цементной суспензии мокрого помола, обладающей высокой степенью дисперсности (S = 600 м2/кг), можно получать высокопрочный быстротвердеющий цемент, прочность которого в возрасте 2 сут достигает 79 МПа. Применение суперпластификатора Melflux® увеличивает водореду-цирующий эффект цементной суспензии и способствует направленному формированию высокопрочной структуры цементного камня. Это дает снижение энергозатрат на помол практически в 2 раза с сохранением повышенной прочности цементного камня в начальные сроки твердения (в возрасте 2 сут — на 44%, через 7 сут - на 19%).

Список литературы

1. Крыхтин Г.С., Кузнецов Л.Н. Интенсификация работы мельниц. Новосибирск: Наука, 1993. 239 с.

2. Ходаков Г.С. Тонкое измельчение строительных материалов. М.: Издательство литературы по строительству. 1972. 239 с.

3. Ребиндер П.А. Избранные труды. Коллоидная химия. М.: Наука, 1978. С. 74-78.

4. Шестоперов С.В., Рояк С.М., Иванов Ф.М., Данюшев-ская З.Л. Мокрый домол цемента.Труды НИИЦе-мента. М.: Промстройиздат, 1952. Вып. 5. 85 с.

5. Шестоперов С.В., Рояк С.М., Иванов Ф.М., Данюшев-ская З.Л. Опыт измельчения цементного клинкера в производственных условиях. М.: Промстройиздат, 1952. 250 с.

6. Бутт Ю.М., Тимашев В.В. Практикум по химической технологии вяжущих материалов. М.: Высшая школа, 1973. 504 с.

ОТ 70 ММ ДО 70 МКМ В ОДНУ СТАДИЮ, НА ОДНОМ АГРЕГАТЕ

МАШИНОСТРОИТЕЛЬНОЕ ПРЕДПРИЯТИЕ ТЕКПРИБ0Р \ г. ЩбКИНО

ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬ 3 MЧч ИНДУСТРИАЛЬНАЯ УДАРНО-ЦЕНТРОБЕЖНАЯ

ТОНКОСТЬ ПОМОЛА - 0ЧЧ < 70 МКМ

*89

РАСХОД ЭНЕРГИИ <20 КВТ/Т

МЕЛЬНИЦА-КЛАССИФИКАТОР "ТРИБОКИНЕТИКА-ЮОО"

* Производство минерального порошка

* Получение наполнителей для сухих смесей

* Производство тонкодисперсных минеральных добавок для бетона

* Помол сырья для лаков, красок, резины, пластмассы

* Измельчение металлосодержащих руд (обогащение)

* Сверхтонкий помол цементного клинкера

МП "ТехПрнбор", РФ, Тульская обл., г. Щекнно, ул. Пирогова д. 43; Тел: 8 (905) 626-79-10, 626-93-07,

■f: ■ научно-технический и производственный журнал www.rifsm.ru

Ы- ® август 2010 57