CC BY
10УДК 691.311
М.С. ГАРКАВИ1, д-р техн. наук, А.В. АРТАМОНОВ1, канд. техн. наук, Е.В. КОЛОДЯЖНАЯ1, канд. техн. наук; А.Ф. БУРЬЯНОВ2, д-р техн. наук
1 ЗАО «Урал-Омега» (455037, Челябинская обл., г. Магнитогорск, пр-т Ленина, 89, стр. 7)
2 Московский государственный строительный университет (129337, г. Москва, Ярославское ш., 26)
Композиционное ангидритошлаковое вяжущее центробежно-ударного измельчения
Ангидритовые вяжущие являются альтернативой клинкерным цементам благодаря низкой энергоемкости производства. Основу составляют природный ангидрит или техногенные продукты, содержащие безводный сульфат кальция. Гидравлическая активность ангидрита обеспечивается его тонким измельчением и применением активаторов твердения. В качестве активатора твердения ангидрита в данной работе использовался отвальный глиноземистый шлак, в химическом составе которого преобладают оксиды алюминия (50-75%) и кальция (15-25%). Установлено, что твердение композиционного ангидритового вяжущего определяется его зерновым составом и концентрацией дефектов на поверхности частиц. Обеспечение преобладающего размера частиц 15 мкм с большим содержанием поверхностных активных центров достигается при измельчении компонентов композиционного вяжущего в центробежно-ударной мельнице. В этой мельнице происходит механоактивация и механохимическое взаимодействие ангидрита и глиноземистого шлака. Показано, что при содержании в составе композиционного вяжущего до 30% глиноземистого шлака возрастает содержание эттрингита в структуре искусственного камня, что сопровождается ростом его прочности.
Ключевые слова: гипсовое вяжущее, искусственное старение гипсового вяжущего, сухие строительные смеси.
M.S. GARKAVI1, Doctor of Sciences (Engineering), A.V. ARTAMONOV1, Candidate of Sciences (Engineering), E.V. KOLODYAZHNAYA1, Candidate of Sciences (Engineering); A.F. BURIANOV2, Doctor of Sciences (Engineering)
1 ZAO "Ural-Omega" (structure 7, 89, Lenina Avenu, Magnitogorsk, 455037, Chelyabinskaya Oblast, Russian Federation);
2 Moscow State University of Civil Engineering (26, Yaroslavskoye Highway, 129337, Moscow, Russian Federation)
Composite Anhydrite-Slag Binder of Centrifugal-Impact Grinding
Anhydrite binders are an alternative to clinker cement due to the low energy consumption of their production. The basis of these binders is natural anhydrite or anthropogenic products containing waterless calcium sulphate. Hydraulic activity of anhydrite is ensured with its fine grinding and the use of hardening activators. As an activator of anhydrite hardening in this work, the waste aluminous slag, in chemical composition of which alumina oxide (50-75%) and calcium oxide (15-25%) prevail, are used. It is established that the hardening of the composite anhydrite binder is defined by its grain composition and concentration of defects on the particles surface. Ensuring the predominant particle size of 15 microns with high content of surface active centers is reached by grinding of components of the composite binder in a centrifugal-impact mill. Mechanical activation and mechanical-chemical interaction of anhydrite and aluminous slag takes place in this mill. It is shown that when the content of aluminous slag in the composition of composite binder is up to 30%, the content of ettring-ite in the structure of the artificial stone increases that leads to its strength growth.
Keywords: anhydrite binder, hydraulic activity of anhydrite, centrifugal-impact mill, mechanical activation.
Материалы на основе ангидрита продолжительное время применяются в строительстве, причем в последнее время масштаб их использования возрастает. Это обусловлено развитием малоэтажного строительства, в котором сдерживающим фактором выступает высокая стоимость традиционных керамических и силикатных материалов. Ангидритовое вяжущее характеризуется низкой себестоимостью, так как энергозатраты на его производство значительно ниже, чем на изготовление портландцемента и строительного гипса. Области применения ангидритового вяжущего в строительстве обусловливаются физико-химическими процессами, лежащими в основе его твердения.
При твердении ангидритового вяжущего важную роль играет состояние поверхности частиц, которое определяется природой и концентрацией активных поверхностных центров [1]. Кристаллическая решетка ангидрита обладает плотной упаковкой и является наиболее устойчивой по сравнению с кристаллической решеткой других сульфатов кальция. Для ускорения твердения ангидритового вяжущего необходимо нарушить существующую в решетке ангидрита координацию ионов Са2+, что достигается использованием следующих технологических приемов:
— тонким измельчением ангидрита;
— использованием различных активаторов твердения, вводимых в вяжущее при помоле или в воду затво-рения.
Одним из таких приемов является механоактивация, которая заключается в создании структурных дефектов и активных центров в зернах материала. Различают два случая механической активации:
1. Время механического воздействия, формирования поля напряжений и его релаксации больше, чем время физико-химической реакции. Этот процесс называется механохимическим.
2. Время механического воздействия, формирования поля напряжений меньше, чем скорость физико-химической реакции, или вообще эти два процесса разделены во времени. Такой процесс называется механической активацией.
Таким образом, увеличение реакционной способности твердых веществ при механической активации происходит не столько за счет увеличения их поверхности вследствие измельчения, сколько вследствие накопления в твердом теле различного рода дефектов (точечных и линейных). Наиболее эффективным способом передачи энергии в процессе механоактивации является ударное воздействие, так как именно оно позволяет концентрировать механическую энергию в определенных участках обрабатываемого тела. Этим условиям отвечает центробежно-ударная мельница, которая обеспечивает высокую энергонапряженность (более 10 кВт/кг) и большую скорость распределения ударной волны в материале, что сопровождается повышением концентрации статических дефектов и увеличением
16
научно-технический и производственный журнал
июль 2014
iA ®
Materials of the VII International Conference "Enhancement of efficiency in manufacturing _and application of gypsum materials"
Готовый продукт (saqnyui ный л ото:-:)
Классификация (внутренний цихл)
Питание
И JMi Л Ь>№НКО
Во1вратный (1 ведущими л оток (8И4)
Воздух (15%)
I_
Рис. 1. Схема измельчения материала в центробежно-ударной мельнице
степени сохранности динамических дефектов структуры [2].
Измельчение в этих мельницах основано на механическом разгоне твердых частиц и осуществляется путем свободного удара частиц о неподвижную преграду; возможно взаимное соударение частиц (рис. 1). Совокупность таких измельчающих воздействий и наличие встроенного воздушного классификатора обеспечивают необходимый гранулометрический состав полученного продукта, одинаковую форму частиц с высокой дефектностью. За счет изменения скорости и направления движения воздушных потоков в зоне измельчения и классификаторе можно в достаточно широких пределах регулировать размер частиц получаемого материала.
Гидратация тонкоизмельченного ангидрита зависит от его зернового состава, поэтому предпочтительным является использование вяжущего с узкой гранулометрией, так как здесь наблюдается гидратация частиц с одинаковой скоростью. Если активатор вводится в ангидритовое вяжущее при помоле, то его зерновой состав должен быть аналогичен гранулометрии ангидрита. Именно такой зерновой состав композиционного вяжущего достигается при измельчении компонентов вяжущего в вышеуказанных мельницах.
Целью настоящей работы является получение композиционного ангидритового цемента на основе природного ангидрита (содержание сульфата кальция 85,5%) и глиноземистого шлака. Выбор последнего в качестве активатора твердения ангидрита обусловлен его химическим составом, в котором преобладают оксиды алюминия (50—75%) и кальция (15—25%). Такой состав шлака обеспечивает создание необходимой
100
80
60
g 40
20
20 40 60
Размер частиц, мкм
80
100
Рис. 2. Зерновой состав ангидрита (дифференциальная кривая): 1 - без классификации; 2 - АК; 3 - АМ
25
ё 20
15 -
10 -
с 5 -
□ 10 □ 30
Помол без классификации
Мелкий продукт
Крупный продукт
Рис. 3. Прочность при сжатии камня из композиционного ангидритового цемента
кислотности жидкой фазы и концентрации в ней ионов кальция и алюминия, способствующих активизации твердения ангидритового цемента.
Кроме того, применение составляющих композиционного цемента, интенсивно измельченных ударными воздействиями и имеющих зерна с большим количеством дефектов, обеспечивает условия для протекания твердофазовых реакций благодаря высокоразвитой контактной поверхности, содержащей ненасыщенные химические связи и активные радикалы.
Компоненты композиционного ангидрито-шлакового вяжущего были размолоты в центробежно-ударной мельнице, причем при помоле ангидрита производилась его классификация с разделением на два продукта — мелкий (АМ) и крупный (АК). Зерновой состав ангидрита, определенный методом лазерной гранулометрии, приведен на рис. 2.
Исследуемые композиционные ангидритовые цементы содержали в качестве активатора указанный выше глиноземистый шлак в количестве 10 и 30 мас. %. Из этих вяжущих были изготовлены образцы, прочность которых через 1 сут твердения в нормальных условиях приведена на рис. 3.
Как следует из приведенных данных, использование классификации при измельчении ангидрита способствует увеличению прочности композиционного цемента при содержании в нем 10% шлака. Это обусловлено тем, что в составе композиционного вяжущего глиноземистый шлак выполняет роль микронаполнителя, который является центром кристаллизации. Это способству-
0
0
0
fj научно-технический и производственный журнал
® июль 2014 17~
ет активации процесса твердения ангидритового вяжущего, повышая тем самым плотность и прочность искусственного камня.
Увеличение доли шлака в составе композиционного ангидритового цемента нивелирует влияние дисперсности ангидрита (различие в прочностных показателях не превышает 9%). Возрастание прочности обусловлено образованием и увеличением доли эттрингита в структуре камня при 30%-м содержании шлака в составе исследуемого цемента (рис. 4), а также ускорением процесса твердения ангидрита в присутствии минеральных добавок по механизму кристаллизации на подложке [3].
Полученные результаты свидетельствуют, что при высоком содержании активатора в составе ангидритового цемента можно отказаться от классификации измельчаемого ангидрита, что повышает производительность центробежно-ударной мельницы. Таким образом, использование центробежно-ударных мельниц в составе измельчительных комплексов, включающих системы аспирации, питатели, емко-
Рис. 4. Структура затвердевшего ангидритового камня: а -б - содержание шлака 30 %
содержание шлака 10 %;
сти для хранения используемых компонентов и готовой продукции, позволяет получать композиционный ангидритовый цемент с необходимыми строительно-техническими свойствами без использования достаточно дорогих химических активаторов.
Список литературы
1. Сватовская Л.Б., Сычев М.М. Активированное твердение цементов. Л.: Стройиздат, 1983. 160 с.
2. Воробьев В.В., Кушка В.Н., Свитов В.С., Гарка-ви М.С. Современное оборудование для измельчения и классификации материалов // Вестник БГТУ. 2003. № 6. С. 280-284.
3. Алтыкис М.Г., Рахимов Р.З., Халиуллин М.И., Морозов В.П. Разитие теоретических основ и создание нового поколения высококачественных, экономичных и экологически чистых гипсовых вяжущих и материалов // Сб. трудов Всероссийского семинара «Повышение эффективности производства и применения гипсовых материалов и изделий». Москва. 2002. С. 138-142.
References
1. Svatovskaya L.B., Sychev M.M. Aktivirovannoe tverde-nie tsementov [The activated curing of cements]. Leningrad.: Stroiizdat 1983. 160 p.
2. Vorob'ev V.V., Kushka V.N., Svitov V.S., Garkavi M.S. Modern equipment for crushing and classification of materials. Vestnik BGTU. 2003. No. 6, pp. 280-284.
3. Altykis M.G., Rakhimov R.Z., Khaliullin M.I., Morozov V.P. Development of theoretical bases and creation of new generation high-quality, economic and environmentally friendly plaster knitting and materials. Collection of works of the Vserosskiysky seminar "Increase of production efficiency and application of plaster materials and products". Moscow. 2002, pp. 138-142.
Активатор
измельчение активадйя синтез
Российские сушилки кипящего слоя «Активатор»
* Малые габариты, промышленная производительность (от 1 до 10 т/час)
* Контролируемая температура материала при сушке
* Контроль времени пребывания материала в зоне сушки
* Интенсивный влагосъем до 2 т влаги с 1 м2 решетки
* Использование любого топлива (газ, мазут, соляра, уголь)'
* Удаление пыли во время сушки
* Совмещение сушки и охлаждения
* Электронный контроль сушки
www.activator.ru
Машиностроительный Завод «Активатор» Новосибирская обл., рп.Дорогино, 630056, Новосибирск 56, а/я 141 Факс: +7 (38345)710-61 Тел.: +7 913 942 94 S1 e-mail: belyaev@activator.ru
научно-технический и производственный журнал QTfJfjyTf ~JJbllbJ" 18 июль 2014 Ы ®
