CC BY
18УДК 678.021.17
А.И. ТРАУТВАИН, инженер (trautvain@bk.ru), В.В. ЯДЫКИНА, д-р техн. наук, А.М. ГРИДЧИН, д-р техн. наук, Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова
Особенности механоактивированных минеральных порошков
Измельчение твердых материалов относится к числу самых энергоемких, материалоемких и распространенных технологических процессов. Его осуществляют, как правило, механическим разрушением крупных фрагментов ударным и/или сдавливающим действием в аппаратах различных конструкций.
Развитие аппаратов для измельчения и активации связано с появлением новых конструкционных материалов, повышением требований к дисперсности и форме частиц измельчаемых материалов и появлением материалов, нуждающихся в измельчении, с самыми разнообразными физико-механическими свойствами, а также с необходимостью экономии ресурсов и энергии. Число типов аппаратов, отличающихся конструктивными параметрами, производительностью и другими характеристиками, постоянно увеличивается. Целью данного исследования явилось выявление наиболее рационального помольного агрегата не только с точки зрения увеличения дисперсности исходного материала, но и повышения его реакционной способности и, как следствие, получения композитов на их основе с высокими физико-механическими характеристиками. Интерес представляет и изучение поверхностных свойств измельчаемых материалов и сопоставление их с показателями уже готового продукта.
Исследования проводили на таких материалах, как кварцевый песок, гранит, кварцитопесчаник Лебединского ГОКа и отходы мокрой магнитной сепарации железистых кварцитов (отходы ММС). Зерновой состав исходных материалов представлен в табл. 1. Помол материала производили с использованием трех лабораторных мельниц: шаровой планетарной, вибромельницы и вибрационного истирателя.
Гранулометрический состав наполнителей оказывает влияние на свойства асфальтобетонных смесей с их использованием. Он важен в первую очередь тем, что содержание частиц определенной величины может существенно сказаться на активности его поверхности [1]. От величины частиц наполнителя напрямую зависит удельная поверхность последнего и соответственно активность. Определение гранулометрического состава минеральных порошков, измельченных в различных мельницах, выполняли с помощью лазерного анализатора частиц, с распределением по долям поверхности.
Следует отметить, что материалы, различной природы при измельчении в одной и той же мельнице имеют идентичный профиль гранулометрического состава. Поэтому можно говорить о том, что механизм измельчения в различных помольных агрегатах независимо от вида загружаемого материала одинаков.
Для наполнителей, измельченных в вибромельнице, характерно равномерное распределение частиц в области от 1,1 до 27,1 и отсутствие частиц размером более 60 мкм, в то время как для вибрационного истирателя характерно высокое содержание частиц в области от 18,2 до 75 мкм. Распределение гранулометрического состава для шаровой планетарной мельницы в области от 0,33 до 12,2 мкм аналогично таковому для вибромельницы, однако значения несколько ниже в области от 18,2 до 60,4 мкм наблюдается пик, что сходно с вибрационным истирателем. Отличие заключается в количественном соотношении частиц указанного диапазона. При помоле материала в вибрационном истирате-ле их количество достигает 10%, а в шаровой планетарной мельнице не превышает 7%. Отсюда можно сделать вывод, что в начале измельчения материала в шаровой планетарной мельнице характер помола в ней сходен с измельчением в вибрационном истирателе (истирающее воздействие), а затем он частично переходит в ударное воздействие, как и в вибромельнице.
В работе [2] было установлено, что размол материалов происходит по-разному. Кварцевый песок во всех мельницах размалывается хуже других материалов. Это может объясняться большей прочностью зерен песка. При этом интенсивное увеличение удельной поверхности происходит до определенной точки, после чего помол производить нецелесообразно, так как рост удельной поверхности значительно замедляется. В результате максимальную удельную поверхность имеют материалы, измельченные в шаровой планетарной мельнице, минимальную — в вибрационном исти-рателе. Для отходов ММС, помол которых осуществлялся в шаровой планетарной мельнице, эта величина составляет 790 м2/кг, в вибромельнице — 600 м2/кг, в вибрационном истирателе — 520 м2/кг. Поэтому с точки зрения величины удельной поверхности наиболее эффективной мельницей является шаровая планетарная.
Таблица 1
Минеральный материал Полные остатки па сите, %
Размер частиц, мм
2,5 1,25 0,63 0,315 0,14 менее 0,14
Отсев дробления кварцитопесчаника 19,6 42 56,8 69 85,8 99,9
Отходы ММС 0 0,1 3,4 21,6 65,3 99,9
Отсев дробления гранита 23,7 44 57,6 73,1 86,2 99,9
Кварцевый песок 0,2 0,4 4,9 43,3 92,1 99,9
Ч
'9?
1? 5Р
Г о
5
Морфология поверхности частиц песка, измельченного: а - в шаровой планетарной мельнице; б - в вибромельнице; в - в вибрационном истирателе
Показано [2], что степень измельчения значительно влияет на концентрацию активных центров, причем полученные зависимости для всех материалов в различных мельницах имеют свои особенности. С повышением тонкости помола происходит рост концентрации обменных центров, то есть активности. Например, при помоле в шаровой планетарной мельнице оптимальной удельной поверхностью с точки зрения роста концентрации обменных центров для кварцитопесчаника и отходов ММС будет 400 м2/кг; гранита — 650 м2/кг; песка — 200 м2/кг; в вибромельнице для кварцитопесчаника и отходов ММС эта величина составляет 400 м2/кг, песка — 300 м2/кг; гранита — 500 м2/кг; при измельчении отходов ММС и песка в вибрационном истирателе оптимальной удельной поверхностью является 300 м2/кг, кварцитопесчаника — 370 м2/кг, гранита — 450 м2/кг.
Дисперсные материалы используются при производстве многих строительных композитов, в том числе и асфальтобетона. Зона контакта в нем, как правило, является слабым местом структуры, где локализуются процессы разрушения при действии внешних нагрузок и агрессивных сред. Это объясняется различиями в состоянии (стабильности) структуры и физических свойств граничащих фаз: в зоне контакта могут концентрироваться внутренние напряжения, превышающие прочность сцепления заполнителя и вяжущего или ко-гезионную прочность их пограничных слоев.
Одним из наиболее эффективных способов увеличения прочности сцепления битума с минеральными материалами в асфальтобетонах является интенсификация физико-химических процессов взаимодействия в зоне контакта, что может быть достигнуто использованием заполнителей и наполнителей с активной поверхностью или модифицированием.
В работе [2] была установлена зависимость изменения активности поверхности различных материалов при помоле от величины их удельной поверхности.
Целью следующего этапа исследования явилось установление влияния свойств поверхности материалов, из-
мельченных в различных помольных агрегатах, на взаимодействие с вяжущим, и на основе этого на получение органоминеральных композитов высокого качества.
В связи с тем, что сцепление в системе наполнитель-вяжущее зависит также от микрогеометрии поверхности минеральных частиц, были получены микрофотоснимки порошков, измельченных в различных мельницах (рисунок).
Как видно из представленных результатов, в шаровой планетарной мельнице разрушение материала происходит в местах структурных дефектов и образующиеся при этом частицы имеют осколочную форму и изрезанные края, тогда как материал, подверженный только истиранию в вибрационном истирателе, содержит частицы преимущественно скругленной формы с ровными, сглаженными краями, а материал, измельченный в вибромельнице, имеет небольшой процент зерен осколочной формы.
Результаты микроскопических исследований по изменению формы поверхности, а также данные по повышению концентрации активных центров дают основание предполагать, что изменение свойств поверхности минеральных материалов в результате помола окажет значительное влияние на процессы взаимодействия их с битумом. Само взаимодействие оценивали по максимальной величине сорбции битума из бензольных растворов минеральными порошками с удельной поверхностью 350 м/кг, измельченных в трех различных лабораторных мельницах, и десорбции бензолом сорбированного ими органического материала фотоколориметрическим методом.
Интенсивность взаимодействия минеральных материалов и органического вяжущего является важнейшим элементом структурообразования в асфальтобетоне, во многом определяющим основные эксплуатационные свойства покрытий автомобильных дорог.
Исследования проводили на вязком битуме БНД 60/90 и свежеразмолотых минеральных порошках из кварцитопесчаника и гранита, измельченных в шаровой мельнице до удельной поверхности 350 м2/кг, а для
Таблица 2
Наименование материала Увеличение активности поверхности порошков, % Прирост предела прочности при сжатии асфальтовяжущего при 20оС, % Увеличение коэффициента водостойкости асфальтовяжущего, %
Песок 100 39 43
Кварцитопесчаник 43 22 26
Гранит 41 24 23
Отходы ММС 38 20 21
Ы ®
ноябрь 2011
33
сравнения — на минеральных порошках, выдержанных на воздухе в течение недели.
Полученные результаты по адсорбции-десорбции наглядно подтверждают предположение о зависимости активности процессов взаимодействия битума с различными минеральными материалами от количества центров адсорбции на их поверхности. Характер происходящих адсорбционных процессов определяет различие в адсорбционной способности разных минеральных порошков по отношению к вяжущему.
Наибольшая адсорбционная способность зафиксирована у минерального порошка из кварцитопесчаника, что объясняется более активным химическим взаимодействием. Наличие хемосорбционных процессов между битумом и минеральным материалом обусловливает более высокое сцепление битумной пленки с поверхностью минерального материала [3].
Отслаивание части битума с поверхности минерального материала указывает на то, что адсорбированный слой битума на поверхности минеральных частиц состоит из прочно, то есть химически связанного и обратимо, то есть физически связанного битума.
Так, на поверхности свежеразмолотого кварцитопесчаника после десорбции битума бензолом осталось 50% первоначально адсорбированного вяжущего, а на поверхности выдержанного на воздухе — 36%. На поверхности свежеразмолотого гранита — 42%, выдержанного на воздухе — 28%. Увеличение количества необратимо адсорбированного битума на поверхности свежеразмолотых минеральных порошков можно отнести за счет происходящих между органическими и минеральными материалами хемосорбционных процессов. Причем наилучшее взаимодействие происходит с поверхностью кварцитопесчаника, что полно-
стью согласуется с величиной концентрации активных центров [2].
Кроме того, на основании данных [2] была выявлена взаимосвязь между увеличением концентрации обменных центров в результате помола и улучшением физико-мехнических показателей асфальтовяжущего с использованием свежеразмолотых минеральных порошков (табл. 2).
Таким образом, в результате механоактивации минеральных порошков повысилась их реакционная способность по отношению к битуму, что должно положительно повлиять на физико-механические характеристики и долговечность асфальтобетона, причем наиболее эффективно использование для помола шаровой планетарной мельницы.
Ключевые слова: механизм измельчения, гранулометрический состав наполнителей, асфальтобетонные смеси, активные центры, микрогеометрия, хемосорбция, органо-минеральные композиты.
Список литературы
1. Комохов П.Г. Нанотехнология, структура и свойства бетона // Третья Междунар. научно-практическая конф. «Бетон и железобетон в третьем тысячелетии». Ростов-на-Дону, 2004. Т. 1. С. 265-267.
2. Траутваин А.И., Ядыкина В.В., Гридчин А.М. Повышение реакционной способности наполнителей в результате помола // Строительные материалы. 2010. № 12. С. 81-83.
3. Ядыкина В.В. Взаимодействие метаморфогенного кварца с битумом // Наука и техника в дорожной отрасли. 2003. № 2. С. 25-26.
СЕВЕРО-КАВКАЗСКИЙ ФИЛИАЛ БЕЛГОРОДСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО УНИВЕРСИТЕТА им. В.Г. ШУХОВА
• Изготавливает устройства для определения внутренних напряжений и трещиностойкости материалов (асфальтобетонов, цементобетонов, растворов, укрепленных грунтов и др.).
• Производит подбор составов, оптимальных режимов приготовления асфальтобетонных смесей из материалов заказчика, обеспечи-
вающих значительное повышение качества асфальтобетонов и производительности работы АБЗ.
• Выполняет работы по подбору составов битумных эмульсий и материалов на их основе, в том числе цветных, с гарантией высокого качества.
Курбатов Владимир Леонидович, Печеный Борис Григорьевич E-mail: kurbatov_bgtu@list.ru, bpavtor@yandex.ru Тел./факс: (87922) 55-397 Тел.: 8-962-445-18-81
Реклама
