CC BY
29
СТРОИТЕЛЬСТВО И АРХИТЕКТУРА
УДК 691.544
ИССЛЕДОВАНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ШЛАКОЩЕЛОЧНЫХ ВЯЖУЩИХ, ПОЛУЧЕННЫХ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ДОБАВКИ КОМПЛЕКСНОГО ДЕЙСТВИЯ
© 2010 г. А.Ф. Акопян
Ростовский государственный Rostov State Building
строительный университет University
Представлены результаты исследования применения известных интенсификаторов помола порт-ландцементного клинкера в технологии шлакощелочных вяжущих веществ. Также приведены результаты исследований влияния добавки комплексного действия на активность шлакощелочного вяжущего.
Ключевые слова: интенсификаторы помола; шлакощелочные вяжущие; добавка комплексного действия.
Presents the research results of using known Portland cement clinker grinding intensificators for slag-alkaline astringents ' technology. There are also presents the results of research the complex action additive influence to the quantity of slag-alkaline astringent.
Keywords: grinding intensificators; slag-alkaline astringent; the complex action additive.
Строительная промышленность является одной из самых материалоемких отраслей страны. Современные темпы ее развития весьма высоки, что приводит к необходимости использования все большего количества строительных материалов, в том числе и вяжущих веществ. Однако стабильно высокие цены на качественные вяжущие вещества на фоне растущего на них дефицита создают условия для развития как технологий, способных снизить расход дорогостоящего вяжущего, так и технологий получения альтернативных вяжущих веществ на основе местных сырьевых ресурсов. С этих позиций производство шлако-щелочных вяжущих веществ выглядит весьма привлекательно.
В качестве сырья для производства шлакощелочных вяжущих веществ используются отходы металлургической промышленности, значительное количество которых уже накоплено и ежегодно пополняется миллионами тонн вновь образующихся отходов производства. Таким образом, кроме возможности получения качественного вяжущего вещества решаются также проблемы утилизации металлургических шлаков, улучшения экологической обстановки и рационального использования земельно-почвенных ресурсов.
В настоящее время накоплен большой опыт изготовления и применения в строительной индустрии шлакощелочных вяжущих.
Известно, что еще в середине ХХ в. было предложено использовать доменные гранулированные шлаки в качестве заполнителей в асфальтобетонных смесях. Но этот способ утилизации отходов металлургической промышленности не позволяет задействовать скрытый в гранулированных шлаках потенциал вяжущего вещества.
Известен также способ «пробуждения» шлаков для проявления ими вяжущих свойств путем кратковременной (3.. .5 мин) обработки их во влажном состоянии в бегунах [1]. Однако этот способ может быть использован только непосредственно на строительном объекте и не позволяет получать товарное вяжущее, пригодное для последующего использования подобно цементам.
Шлакощелочные вяжущие вещества лишены перечисленных недостатков, а практический опыт нескольких десятилетий доказывает возможность получения на их основе композиций с высокими эксплуатационными и технологическими свойствами.
По данным одного из наиболее известных исследователей этой области профессора В.Д. Глуховского [2], на прочностные и другие свойства шлакощелоч-ных вяжущих большое влияние оказывают вид доменного гранулированного шлака, вид и количество используемого щелочного компонента, пластичность смеси, тонкость помола шлака и многие другие контролируемые и неконтролируемые факторы.
Процессы помола доменных гранулированных шлаков относятся к наиболее трудоемким, энергоемким, продолжительным и затратным процессам в технологии производства шлакощелочных вяжущих веществ.
Одним из путей решения данной проблемы является поиск эффективных интенсификаторов помола.
Интенсификаторы помола представляют собой вещества, способствующие процессу измельчения в помольных агрегатах благодаря предохранению мелющих тел от налипания частиц и диспергированию размалываемого материала.
Большинство интенсификаторов помола - это вещества, которые сильно адсорбируются поверхностью размалываемых частиц, насыщая избыточный потенциал поверхности, предотвращают притяжение других частиц и образование агломератов. При этом за счет устранения избытка поверхностной энергии, вызывающего взаимное притяжение частиц, улучшается текучесть размалываемых материалов.
Вопрос интенсификации процессов помола в настоящее время достаточно подробно изучен для производства цементов на основе портландцементного клинкера. Чаще всего для интенсификации процессов помола клинкера используются такие вещества, как поверхностно-активные вещества, уголь, сажа, графит, канифоль, коллоидный уголь, трепел, гипс и др. Указанные добавки при помоле уменьшают налипание на мелющие тела мелких фракций и их агрегирование.
Такие добавки, как уголь, гипс, трепел и др., имеют по сравнению с размалываемым клинкером более низкую сопротивляемость измельчению. Они размалываются примерно в 5 - 7 раз быстрее, чем клинкер. Одна из гипотез интенсификации процессов помола заключается в том, что частицы трепела, угля и т.п., находясь в высокодисперсном состоянии, контактируют с клинкерными частицами и предотвращают их взаимодействие друг с другом, налипание и агрегирование. Помимо этого, введение интенсификаторов помола способствует снижению налипания измельчаемого материала на поверхности мелющих тел благодаря уменьшению статического электричества, поверхностного энергетического потенциала, адсорбции и механического взаимодействия.
При измельчении шлакощелочных вяжущих до удельной поверхности порядка 3000 см2/г, вследствие образования новых поверхностей, возникает значительный электростатический потенциал. Наличие данного неуравновешенного потенциала способствует агрегации частиц шлакощелочного вяжущего вещества на рабочих органах измельчительной установки, а также агрегированию частиц измельчаемого материала между собой. Все это приводит к дополнительным затратам работы, идущей на преодоление сил притяжения частиц измельчаемого вещества.
Вопрос интенсификации процессов помола шла-кощелочного вяжущего в литературе в полной мере не освещен, поэтому в качестве интенсификаторов помола для их измельчения предложено использовать как известные интенсификаторы помола портландцемента, так и изучаемую добавку комплексного действия.
Хотя интенсификаторы помола сами по себе не оказывают заметного влияния на прочность ШЩВ, однако становится возможным за счет их использования не только повысить эффективность механического измельчения вещества, но и корректировать химический состав ШЩВ, что способствует повышению качества получаемого продукта.
Для оценки эффективности использования известных интенсификаторов помола были отобраны пробы шлаков, в состав которых вводилось определенное количество интенсификаторов. В качестве таковых использовались различные вещества: углеродная пыль (1,5 %), керамическая пыль (5 %), молотая опока (5 %) и поверхностно-активное вещество (0,25 %). За контрольный принят состав, не содержащий интенси-фикатора помола. Шлак предварительно подвергался дроблению в лабораторной щековой дробилке. Помол осуществлялся в фарфоровой лабораторной мельнице. В качестве постоянной величины была принята продолжительность помола, которая составляла 3,5 часа. В качестве щелочного компонента использовался несиликатный щелочной компонент второй группы по классификации В.Д. Глуховского. [2] Экспериментально получены данные измерения удельной поверхности и прочности на сжатие в 28-суточном возрасте. Величина удельной поверхности измерялись при помощи прибора системы ПСХ (табл. 1, рис. 1 и 2).
Данные, представленные на рис. 1 и 2, свидетельствуют, что интенсификаторы помола проявляют свое воздействие в разной степени. К сожалению, по остатку на сите 008 и по величине удельной поверхности невозможно в полной мере проанализировать гранул-лометрический состав проб, а следовательно, трудно судить о характере поведения того или иного интен-сификатора и невозможно спрогнозировать его взаимодействие с частицами шлака.
Таблица 1
Влияние интенсификаторов помола на величину удельной поверхности
Маркировка состава Вид интенсификатора Дозировка интенсификатора, % Величина удельной поверхности, см2/г Остаток на сите № 008, %
К - 0 2981 1,8
Г.П. Графитовая пыль 1,50 3276 3,4
К.П. Керамическая крошка 5,00 3274 1,2
Оп Опока 5,00 3883 1,1
Пл ПАВ (С-3) 0,25 3156 1,6
Д.К.Д. Добавка комплексного действия 1,00 3972 0,2
Пл Д.К.Д.
Состав
Рис. 1. Зависимость изменения удельной поверхности от вида интенсификатора помола
ЗА
1
1,8 1,6 |
Л 1,2 1,1
1 1 Ü
I
Л 1 1 0,2
К Г.П. К.П. Оп Пл Д.К.Д.
Состав
Рис. 2. Влияние вида интенсификатора помола на изменение величины остатка на сите № 008
Для оценки прочностных характеристик от каждого измельчаемого состава отбирали необходимое количество шлака и формовали стандартные образцы-балочки, размером 40x40x160 мм. Твердение проходило в стандартных условиях, предложенных В.Д. Глуховским, в течение 28 суток. Полученные результаты представлены на рис. 3.
Из анализа рис. 3 следует, что введение интенсификатора помола может привести к снижению прочности шлакощелочного вяжущего, в то же время ряд интенсификаторов способен повысить прочность на 20 и более процентов.
Для оценки влияния предлагаемой в качестве интенсификатора помола добавки комплексного дейст-
вия и заданной величины удельной поверхности на активность шлакощелочного вяжущего был реализован эксперимент с использованием доменного гранулированного шлака и силикатного щелочного компонента. Для этого был использован симплексно-суммарный план второго порядка на правильном шестиугольнике типа ССП-2, в котором один фактор варьируется на 5 уровнях (в данном случае х1 - дозировка добавки комплексного действия от 0,1 до 1,7 % от массы шлака), а второй фактор - на 3 уровнях (х2 - $уд = 3500, 4100 и 4700 см2/г). Плотность раствора силикатного щелочного компонента составляла 1,185 г/см3 (рис. 4).
47,55
Рис. 3. Диаграмма изменения прочности в 28-суточном возрасте в зависимости от вида применяемого интенсификатора помола
V см /г 4700
4100
3500
0,1 0,5 0,9 1,3 1,7 Сдоб, % Рис. 4. Область планирования эксперимента на правильном шестиугольнике
Матрица планирования и результаты прочностных испытаний образцов на шлакощелочном вяжущем в возрасте 28 суток представлены в табл. 2.
Таблица 2
Матрица планирования и результаты эксперимента
№ опыта Х2 Х12 Х22 Х1Х2 nmax R28 R 28 R28 А R 28, %
МПа
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
1 -1 0 1 0 0 68,5 65,6 65,0 -0,9
2 0 0 0 0 0 77,0 75,0 75,0 0,0
3 1 0 1 0 0 71,5 70,1 70,6 +0,8
4 -0,5 0,87 0,25 0,75 -0,43 73,5 72,9 73,5 +0,8
5 0,5 0,87 0,25 0,75 0,43 82,0 79,6 79,0 -0,7
6 -0,5 -0,87 0,25 0,75 0,43 69,0 68,4 69,0 +0,8
7 0,5 -0,87 0,25 0,75 -0,43 71,5 69,5 68,9 -0,8
I 8,4 12,7 208,3 217,8 2,4 - 501,1 - -
В результате проведенных расчетов была получена полиноминальная модель R 28
R28 = 75,0 + 2,771х + 4,203х2 - 7,188x1 -
-0,813x2 + 3,270х1х2. (1)
Модель (1) описывает некоторую поверхность отклика в трехмерном факторном пространстве. Для наглядности нами на рис. 5 представлен геометрический образ функции отклика.
Рис. 5. Геометрический образ функции (1)
В результате исследований установлено, что с ростом величины удельной поверхности происходит увеличение активности. Кроме того, для каждой величины удельной поверхности шлакощелочного вяжущего существует своя оптимальная дозировка добавки комплексного действия. Таким образом, введение комплексной добавки не только интенсифицирует процессы помола, но и приводит к росту величины активности вяжущего вещества.
Литература
1. Волженский А.В., Чистов Ю.Д. О перспективах дальнейшего развития производства экономичных бетонов // Бетон и железобетон. 1991. С.10
2. Глуховский В.Д. Шлакощелочные бетоны на мелкозернистых заполнителях. Киев, 1981. 223 с.
Поступила в редакцию 15 апреля 2010 г.
Акопян Александр Феликсович - аспирант, кафедра «Технологии вяжущих веществ, бетонов и строительной керамики», Ростовский государственный строительный университет. E-mail: [email protected]
Akopyan Alexander Feliksovich - post-graduate student, department «Technology of Astringents, Concretes and Construction Ceramics», Rostov State Building University. E-mail: [email protected]
