CC BY
54
УДК 691.327
Н. М. Красиникова, Е. В. Хозина, В. Г. Хозин, Н. М. Морозов
ИССЛЕДОВАНИЕ РАЗМОЛОСПОСОБНОСТИ СУХИХ СМЕСЕЙ ДЛЯ ПЕНОБЕТОНА
Ключевые слова: поверхностно-активные вещества, мельницы, удельная поверхность, время помола.
В данной работе рассмотрено влияние пластификаторов на размолоспособность цементных систем в четырех типах мельниц: вибрационно-шаровой, шаровой, пружинной и вибрационной. Установлено, что размолоспособность повышается в ряду мельниц: шаровая, вибрационно - шаровая, вибрационная, пружинная. Введение суперпластификатора снижает время помола и увеличивает удельную поверхность цемента.
Keywords: surfactants, mills, specific surface area, grind time.
In this work, the influence ofplasticizers on the grinding ability of cement systems in four types of mills: vibration ball, ball, spring and vibration. It is established that the grinding ability increases in the number of mills: ball, vibration -ball, vibrating, spring. The introduction of superplasticizer reduces grind time and increases the specific surface of cement.
Введение
Среди всех современных теплоизоляционных строительных материалов ячеистые бетоны -пенобетон и газобетон (автоклавный) по комплексу технических, экономических и экологических показателей и, особенно долговечности, превосходят все другие конструкционно -теплоизоляционные материалы.
Известные технологии изготовления пенобетона: традиционная (двухстадийная), метод сухой минерализации Меркина, баротехнология (Удачкина) имеют общий недостаток -повышенную влажность конечного продукта (ввиду высоких значений исходного В/Т). А это неизбежно приводит к большой усадке (в основном влажностной) при длительном твердении.
Идеологической основой новой технологии пенобетона стал принцип производства строительных материалов из предварительно приготовленных сухих смесей. Неоспоримым достоинством изготовления и применения сухих смесей является технологическая стабильность, проявляющаяся в высокой точности дозирования, степени гомогенизации их компонентов и, отсюда, стабильность технологических и эксплуатационно-технических свойств конечного материала [1, 2]. В связи с этим нами разработана технология изготовления сухой смеси для пенобетона (ССПБ), включающая дополнительно механоактивацию вяжущего путем совместного помола компонентов. При этом, совместный помол ПЦ с ПАВ, по нашему мнению, не только устраняет негативное влияние ПАВ (оказывают влияние на процесс гидратации ПЦ, как правило, замедляя его), но и интенсифицирует помол.
Технология и ее аппаратурное оформление достаточно просты, малоэнерго - и металлоемки. Состав сухих смесей включает все известные компоненты, в том числе жидкие пенообразователи, переходящие в процессе получения сухой смеси для неавтоклавного пенобетона в сухое состояние при реакции гидратации с портландцементом (патент РФ № 2342347, дата приоритета от 18.01.2007)[3-5].
Методы и материалы
В работе использовались материалы: состав сухих смесей включает все известные компоненты: портландцемент - ПЦ 500ДО по ГОСТ 10178, пенообразователь - ПБ 2000 по ТУ 2481-18505744685-01, суперпластификатор - С-3 по ТУ 6-360204229-625-90*.
Методы определения физико-механических характеристик:
удельная поверхность на приборе ПСХ-12, действие которого основано на измерении удельной поверхности порошковых материалов методом Козеини-Кармана - по воздухопроницаемости и пористости уплотненного слоя порошка и соответствующие ей среднемассовые размеры частиц.
Размолоспособность минеральных
компонентов пенобетонной смеси (ПЦ и ПАВ) оценивали по величине удельной поверхности (8, см2/г) достигнутой за определенные временные интервалы помола в той или иной мельнице. Для количественной оценки эффективности помола мы ввели следующие критерии: 1) коэффициент размолоспособности:
КР = (82- 8!)/ Дт (м2 / кг*мин), где
81 и 82 - удельная поверхность материала (м2/ кг) до и после измельчения в течение времени Дт (мин)
2) удельные энергозатраты на прирост удельной поверхности материала Д 8 = 100 м2/ кг
Э = N * Дт / (Д 8*10-2) (кВт* час*кг/м2)
3) коэффициент эффективности ПАВ при помоле Кпав равно отношению КР помола с ПАВ к КР при помоле без ПАВ:
КПАВ= КРПАВ/ КР0
Результаты
Приготовление сухой смеси в мельницах обеспечивает максимальную гомогенизацию и механоактивацию компонентов в процессе тонкого измельчения. В этом случае можно ожидать и синергических эффектов влияния двух ПАВ (суперпластификатора и пенообразователя) на
размолоспособность, водопонижение и структурную однородность исходной смеси и полученного пенобетона. Следует отметить, что одним из путей улучшения свойств пенобетона, приготовляемого по традиционным схемам, также является
механическая активация цементных смесей [6], но эффект механоактивации в них оказался незначителен и быстро «пропадающим». С другой стороны, технология производства неавтоклавного пенобетона традиционным методом с использованием цемента низкой водопотребности была изучена Б.Э. Юдовичем с соавторами [7], которые кроме положительных свойств -значительного повышения прочностных
показателей и марки по морозостойкости, также указывают на необходимость частой чистки смесителей от «наростов» пенобетона, что снижает производительность, и качество пенобетонной смеси.
Известно, что применение ПАВ в цементной промышленности используют в качестве интенсификаторов помола ПЦ-клинкера. Чаще всего применяются в качестве диспергаторов -триэтаноламин и аналогичные органические жидкости. Применение же суперпластификатора и пенообразователя в качестве интенсификторов помола ПЦ представляет несомненный практический интерес, т. к. каждое дополнительное увеличение 8уд на 100 см2/г приводит к снижению производительности мельницы на 3-4% и, соответственному увеличению удельной энергии помола [8]. Применение интенсификаторов помола позволяет частично компенсировать эти нежелательные факторы.
Перед оценкой свойств неавтоклавного пенобетона из сухой механоактивированной смеси было изучено влияние компонентов сухой смеси на ее размолоспособность и свойства пенобетона.
Поэтому главным фактором процесса является размолоспособность, которая была исследована в трех видах лабораторных мельниц, отличающихся способом измельчения: шаровой с истирающим и ударно-гравитационным измельчением,
вибрационно-шаровой («Консит» и СМВ-3) с истирающим и ударно-вибрационным
измельчением, пружинной с истирающим и раскалывающе-сдавливающим измельчением [9, 10]. Критерием размолоспособности была принята удельная поверхность (8уд) портландцемента и время ее достижения. Точнее, по сути эксперимента, были получены кинетические кривые зависимости 8уд от времени и влияние на них рецептур сухих смесей и условий помола.
Результаты расчетов по полученным экспериментальным данным представлены в табл.1.
Из табл. 1 видно, размолоспособность портландцемента в вибрационно-шаровой «Консит» и шаровой мельницах, в присутствии ПАВ значительно выше (за 8 часов в 1,37 и 1,1 раза, соответственно), чем без добавки
суперпластификатора. В пружинной мельнице, мелющая способность которой в 60 раз выше, наблюдается обратное влияние С-3 на
размолоспособность (за 5 мин интервал
измельчения ниже, чем у «чистого» ПЦ в 1,14 раза). Из сравнения интенсивности размолоспособности портландцемента с С-3 в шаровой (8уд=425 м2/кг) и вибрационно-шаровой (СМВ-3, далее
вибрационная) мельницах (8уд=623 м2/кг) видно, что наибольшая удельная поверхность достигается в последней. Отказ от пружинной мельницы в дальнейших исследованиях связан с отсутствием таковых в промышленном варианте.
Таблица 1 - Расчетные критерии размолоспособности портландцемента
№ Показател Тип мельниц
и шаровая Консит СМВ-3 пружинн
ая
б/д С-3 2% б/д С-3 2% б/д С-3 2% б/д С-3 2%
1 Удельная
поверхнос ть м2/кг
- нач. 81 320 320 320 320 320 320 320 320
- расч. 82 380 425 460 600 623 600 500 600
2 Время помола Ат, мин до 82 480 480 480 360 20 17 2 5
3 Коэффициент размолоспособности КР (м2 / кг* мин) 0,13 0,22 0,29 0,78 14 16,5 90 56
4 Удельные энергозатраты Э (8 = 100 м2/ кг) кВт* час*кг/м2 6,66 3,8 3,14 1,17 0,35 0,3 0,03 0,04
Таким образом, показано, что удельные энергозатраты, коэффициент размолоспособности и время помола повышаются в ряду: пружинная, вибрационная, вибрационно - шаровая, шаровая.
Данные изменения удельной поверхности (рис. 1,2,3) систем (сухая смесь с С-3) и ПЦ в зависимости от времени помола в мельницах описываются двумя типами уравнений: экспоненциальной
функцией: у = у0 +а } - ехр -// Т0) ) полиномом третьей степени:
у = у 0 +ах -Ьх2 +сх3.
Бремч помола, ч
• без С-3 1с С-3
Рис. 1 - Экспоненциальные кривые помола в шаровой мельнице
4 5 6
Время помола, мин
♦ без С-3 ■ с С-3
Рис. 2 - Экспоненциальные кривые помола в пружинной мельнице
5 8
Время, ч
♦ без С-3 ■ С-3
Рис. 3 - Экспоненциальные кривые помола в вибрационно - шаровой мельнице СМВ-3
В табл. 2 представлены параметры экспоненциальной функции и параметры полинома 3-ей степени помола в мельницах различного типа.
Таблица 2 - Параметры помола материала в мельницах
Урав- Пара- ПЦ Сухая смесь для
нение метры уравнения пенобетона
Помол в шаровой мельнице
1 У0 298.53472±1.3529 297.34096±1.43549
a 88.222±0.666 140.988±0.69545
T0 2.63998±0.30179 3.281±0.323
2 Уо 298.79 298.909
a 31.294 38.124
b 4.435 3.907
c 0.232 0.136
Помол в пружинной мельнице
1 У0 297,93292±2,15 297,34096±1,43549
a 263,424±0,423 140,98±0,661
Т0 1,659±0,476 3,281±0,323
2 Уо 299,748 299,041
a 160,954 92,253
b 34,526 14,532
c 2,691 0,861
Помол в вибрационно-шаровой мельнице
1 У0 300 298.81±2.36
a 123.682±0.808 206.404±20.733
T0 1.894±0.038 1.526±0.177
2 У0 315,035 283,19814
a 73,438 190,914
b 13,577 50,423
c 0,8426 4,080
Анализ экспоненциальной функции размолоспособности показал, что уравнение описывает кинетику помола для всех типов мельниц: у0 - исходная удельная поверхность материала (~300), коэффициент а характеризует интенсивность помола мельницы (коэффициент увеличивается по мере увеличения интенсивности помола мельниц: у шаровой, вибрационно- шаровой и пружиной, соответственно), 1- время помола, Т0 -эффективное время изменения скорости увеличения
ду
a
удельной поверхности (— = — exp
Г t ^
dt
tn
10 У
при t=tc
ду dt
a
t c e
, т.е. tc это некое эффективное
время, при котором скорость увеличения удельной поверхности при размоле уменьшается в е раз).
Заключение
Исследована размолоспособность
портландцемента (кинетика роста удельной поверхности - Sw) в присутствии пенообразователя ПБ -2000 и пластификатора С-3 в четырех типах мельниц: вибрационно-шаровой, шаровой,
пружинной и вибрационной.
Установлено, что все кривые размолоспособности описываются экспоненциальными функциями, где коэффициент а характеризует эффективность мельницы, его увеличение соответствует уменьшению времени помола. Выявлено, что размолоспособность повышается в ряду: шаровая, вибрационно -шаровая, вибрационная, пружинная.
Работа выполнена по заданию №7.1955.2014/К в рамках проектной части государственного задания в сфере научной деятельности Министерства образования и науки Российской Федерации.
Литература
1. Палиев А.И., Бортников В.Г., Лукоянов А.П. Сухие строительные смеси на цементной основе производства «Тиги Кнауф» - новое качество фасадов // Строительные материалы. 1999. №10. С. 23-24.
2. Казарновский З.И. Сухие смеси - важный фактор повышения эффективности и культуры строительства // Строительные материалы. 2000. №5. С. 34-36.
3. Патент РФ № 2342347 «Способ приготовления сухого тонкодисперсного пенообразователя и способ приготовления сухой сырьевой смеси для пенобетона с использованием этого пенообразователя», приоритет от 18.01.2007, авторы: Хозин В.Г., Магдеев У.Х., Красиникова Н.М., Морозова Н.Н., Рахимов М.М.
4. Хозин В.Г., Красиникова Н.М., Магдеев У.Х. Сухая смесь для получения пенобетона // Строительные материалы, оборудование, технологии XXI века. 2008. № 2. С.32-33.
5. Красиникова Н.М., Хозин В.Г. Новый способ приготовления пенобетона // Известия Каз ГАСУ. 2009. №1. С.273-276.
t=t
6. Черных В. Т. Активация сырьевых смесей дает хороший результат при производстве неавтоклавного пенобетона. Ячеистые бетоны в строительстве. - СПб.:ООО «Стройбетон», 2008. - С. 283 - 286.
7. Юдович Б.Э., Зубехин С.А. Субмикросталлический пенобетон: новое в основах технологии. Цемент и его применение, 2009, №1. - С. 81 -85.
8. Brugan J.M., High efficiency separators, - Problems and solutions // Zement - Kalk - Gips. July, 1988. P.350-355.
9. Морозов Н.М., Хохряков О.В., Хозин В.Г. Сравнительная оценка мельниц по размолоспособности кварцевого песка и его эффективности в цементных бетонах // Известия КазГАСУ. № 1. 2011. С .177-181.
10. Боровских И.В., Хозин В.Г. Изменение длин базальтовых волокон при его распределении в композиционном вяжущем высокопрочных базальтофибробетонов // Известия Казанского государственного архитектурно-строительного университета. 2009. № 2. С. 233.
© Н. М. Красиникова - канд. техн. наук, доцент кафедры «Технологии строительных материалов, изделий и конструкций», КГАСУ, [email protected]; Е. В. Хозина - кандидат физ.-мат наук, старший научный сотрудник лаборатории сорбционных процессов ФГБУН Институт физической химии и электрохимии им. А.Н. Фрумкина РАН, [email protected]; В. Г. Хозин - д-р техн. наук, проф., зав. каф. «Технологии строительных материалов, изделий и конструкций», КГАСУ, [email protected]; Н. М. Морозов - канд. техн. наук, доцент кафедры «Технологии строительных материалов, изделий и конструкций», КГАСУ, [email protected]
© N. M. Krasinikova - candidate of technical sciences, associate professor of the Departmen of Technology of building materials, products and structures, KSUAE, [email protected]; E. V. Khozina - candidate of physico-mathematical sciences, senior researcher of the laboratory of sorption processes Institute of physical chemistry and electrochemistry. A. N. Frumkin RAN, [email protected]; V. G. Khozin - doctor of technical sciences, professor, head of the Department of Technology of building materials, products and structures, KSUAE, [email protected]; N. М. Morozov - candidate of technical sciences, associate professor of the Departmen of Technology of building materials, products and structures, KSUAE, [email protected].
