CC BY
9
УДК 666.94:541.18.053
Малахин С.С., Кривобородов Ю.Р.
ПОВЫШЕНИЕ СВОЙСТВ ПОРТЛАНДЦЕМЕНТА АКТИВАЦИЕЙ В ВОДНОЙ СРЕДЕ
Малахин Сергей Сергеевич, студент 2 курса магистратуры факультета технологии неорганических веществ и высокотемпературных материалов, e-mail: sereza97@bk.ru;
Кривобородов Юрий Романович, д.т.н., профессор, профессор кафедры химической технологии композиционных и вяжущих материалов
Российский химико-технологический университет имени Д.И. Менделеева, Москва, Россия 125480, Москва, ул. Героев Панфиловцев, д. 20
В настоящее время важнейшей задачей строительной отрасли является повышение качества выпускаемой продукции с одновременным снижением энергетических затрат и повышением производительности технологических линий. Одним из перспективным способом повышения технических свойств вяжущих является активация цементов гидродинамическим воздействием. Установлено, что активированные в процессе обработки в роторно-пульсационном аппарате кристаллогидраты увеличивают скорость гидратации цемента вследствие выкристаллизовывания продуктов гидратации вне зоны реакции гидратации и уменьшения толщины экранирующей оболочки гидратов на поверхности зерна цемента. Это обеспечивает повышение ранней прочности строительных растворов и бетоном.
Ключевые слова: портландцемент, гидродинамическая активация, кристаллогидраты, прочностные свойства.
ACTIVATIVE CURING OF PORTLAND CEMENT WITH TECHNOGENIC MATERIALS
Malakhin S.S., Krivoborodov Yu.R.
Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia
Currently, the most important task of the construction industry is to improve the quality ofproducts while reducing energy costs and increasing the productivity ofproduction lines. One of the promising ways to improve the technical properties of binders is the activation of cements by hydrodynamic effects. It has been established that crystalline hydrates activated during processing in a rotary pulsation apparatus increase the rate of cement hydration due to crystallization of hydration products outside the hydration reaction zone and a decrease in the thickness of the hydrate shielding shell on the cement grain surface. This provides an increase in the early strength of mortars and concrete.
Keywords: Portland cement, hydrodynamic activation, crystalline hydrates, strength properties
Широкое использование в строительстве сборных железобетонных конструкций с большим количеством стыков и необходимость повышения скорости возведения сооружений из монолитного бетона требуют применения цементов, обеспечивающих высокую прочность бетона с интенсивным ее нарастанием в начальные сроки твердения.
Производство быстротвердеющих и
высокопрочных цементов ограничено
необходимостью оптимизации технологических режимов и состава сырьевых смесей, а также большими энерго- и топливозатратами. Одним из путей повышения строительно-технических свойств цемента, в том числе сокращения сроков достижения его марочной прочности и обеспечения более полного использования химической энергии вяжущего, является повышение тонкости его помола и обеспечение рационального гранулометрического состава при измельчении [1-3].
Большая и быстрая потеря активности высокопрочными и быстротвердеющими цементами в процессе их транспортирования и хранения вызывает снижение эффективности энергозатрат на тонкое измельчение. Таким образом, поиск решений, направленных на повышение эффективности
использования рядовых цементов, является весьма актуальным.
Известно, что домол цемента в водной среде позволяет получать высокую удельную поверхность без снижения производительности мельниц и использовать полученную активность вяжущих без потерь при условии расположения помольных систем непосредственно на заводах ЖБИ или строительных площадках [4, 5]. Однако мокрый домол цемента в традиционных измельчителях не нашел промышленного применения: у шаровых мельниц большая металлоемкость и сложные транспортные коммуникации, требующие больших трудозатрат. Вибромельницы характеризуются малой производительностью и низкой надежностью.
В последнее время для интенсификации процессов в гетерогенных средах стали шире применяться устройства, одновременно
обеспечивающие гидродинамические потоки и эффективное измельчающее воздействие на дисперсную среду. К аппаратам такого типа относятся роторно-пульсационные аппараты, сочетающее в себе принципы дисмембраторов, коллоидных мельниц и центробежных насосов (рис.
1) [6-9].
Рисунок 1. Рабочая камера РПА 1 — рабочая камера; 2, 6 — соответственно входной и выходной патрубки; 3 — ротор; 4 — внешний статор; 5 — внутренний статор; 7 — рабочее колесо для удаления смеси
Рабочие элементы РПА представляют собой ротор и статоры с выступами, выполненными в форме полушарий или эллипсов. При вращении ротора со скоростью 3000 об/мин обрабатываемая жидкая среда подвергается интенсивным механическим воздействиям, гидравлическим ударам и кавитации.
Интенсивность обработки, характеризуемая затратами объемной мощности в рабочей камере, составляет 3—5 МВт/м3, что в 2—3 раза выше, чем в емкостных аппаратах с перемешивающими устройствами. Эти факторы в сочетании с влиянием жидкой среды на прочность твердых тел обеспечивают более высокую эффективность РПА при помоле цемента по сравнению с традиционными измельчителями (табл. 1).
Таблица 1. Влияние способа измельчения материалов на удельные энергозатраты
Измельчитель Домол В/Ц при мокром домоле Удельная поверхность цемента*, м2/кг Удельные энергозатраты на домол, кВт-ч/т
Шаровая мельница Сухой — 400 20,0
460 44,5
Мокрый 0,5 460** 28,4
Вибромельница Сухой — 460 22,5
Мокрый 0,5 500 20,5
УДС Мокрый 0,5 500 5,5
0,5 600 14,5
* Удельная поверхность исходного цемента — 300 м2/кг;
** Определение удельной поверхности цемента при мокром домоле проводилось в соответствии с [10].
Высокая эффективность РПА при измельчении цемента позволила, разработать систему, при которой грубый помол осуществляется на цементном заводе, а высокодисперсный — на заводе ЖБИ или строительной площадке.
Для исследования эффективности такой системы были приготовлены цементы с удельной поверхностью 150, 200 и 300 м2/кг путем измельчения клинкера АО «Горнозаводскцемент» в шаровой мельнице. Цементы с удельной поверхностью 150 и 200 м2/кг затем измельчали в
водной среде в РПА до удельной поверхности 300 м2/кг. Сравнение эффективности измельчения цементов различными способами до удельной поверхности Буд. = 300 м2/кг показало, что суммарные удельные энергозатраты при измельчении цементов до Буд. = 150 и 200 м2/кг в шаровых мельницах с последующим их мокрым, домолом в РПА до = 300 м2/кг снижаются соответственно на 31,2 и 27,6 % по сравнению с измельчением клинкера до этой же тонкости помола в шаровой мельнице (табл. 2).
Таблица 2. Удельные энергозатраты при мокром помоле цемента
Первоначальная удельная поверхность, 2/ м /кг Удельные энергозатраты, кВт-ч/т
на измельчение клинкера в шаровой мельнице на мокрый домол цемента в УДС до Буд. = 300 м2/кг суммарные
300 39,4 — 39,4
200 22,1 6,4 28,5
100 16,8 10,3 27,1
Грубомолотые цементы, в отличие от высокодисперсных, в значительно меньшей степени теряют свою активность при перевозках и хранении, что очень важно для отдаленных районов страны. Кроме того, домол до высокой дисперсности непосредственно на заводе ЖБИ позволяет наиболее
эффективно использовать создающуюся активность цемента и получать цементный камень, отличающийся повышенной прочностью при сжатии и изгибе относительно контрольного цемента с Буд=300 м2/кг (табл. 3).
Таблица 3. Прочностные свойства цементов при различном способе измельчения
Удельная поверхность цементов, м2/кг Предел прочности, МПа, в возрасте, сут
исходного после мокрого домола в УДС при изгибе при сжатии
3 7 28 3 7 28
300 — 2,8 4,6 7,0 9,7 16,2 36,7
200 302 3,0 4,9 7,2 12,2 19,8 37,8
458 4,2 5,7 7,6 17,9 29,1 40,1
150 305 3,2 5,1 7,3 12,8 21,3 38,2
456 4,4 6,1 7,9 18,6 29,5 41,5
Резкое ускорение твердения цемента, измельченного в УДС, объясняется не только повышением его дисперсности, но и ускорением гидратации клинкерных минералов в условиях механохимической активации. Об этом свидетельствуют и данные, полученные при непрерывной обработке отдельных клинкерных минералов в РПА [11], полная гидратация которых произошла значительно быстрее, чем в других условиях: C3S — за 4,5 ч; C4AF — за 15 мин и С3А — менее чем за 1 мин.
Выводы. Установлено что мокрый помол цемента, обеспечивает снижение энергозатрат. При механоактивации цемента в РПА перешедшие в раствор кристаллогидраты выполняют двоякую роль: способствуют появлению на своей поверхности многочисленных центров кристаллизации с образованием закономерных сростков
гидросиликатов кальция и являются подложкой для кристаллизации гидратных новообразований, изменяя их структуру в соответствии со структурой самой затравки. Активированные в процессе обработки в РПА кристаллогидраты увеличивают скорость гидратации цемента вследствие выкристаллизовывания продуктов гидратации вне зоны реакции гидратации и уменьшения толщины экранирующей оболочки гидратов на поверхности зерна цемента. Это приводит, в свою очередь, к уменьшению крупных пор и повышению плотности упаковки благодаря возникновению большого числа кристаллических сростков, адгезионных контактов, а также просто механических сцеплений в единице объема системы.
Список литературы
1. Дмитриев А.М., Кузнецова Т.В., Юдович Б.Э. и др. Гидратационное легирование цементов крентами // Тезисы докладов на VI Всесоюзном начно-техническом совещании по химии и технологии цемента. М.: ВНИИЭСМ,1982. с. 9498.
2. Ниязбекова Р.К., Шаншарова Л.С., Кривобородов Ю.Р. Исследование свойств
композиционных материалов на основе цементов, содержащих шламы глинозёмного производства // Техника и технология силикатов. — 2018. — Т. 25, № 1. — С. 26-29.
3. Кузнецова Т.В., Кривобородов Ю.Р. Роль минеральных и химических добавок при производстве цемента и бетона // Бетон и железобетон. Оборудование. Материалы. Технологии. — 2014. — № 1. — С. 60-63.
4. Мокрый помол цемента / Шестоперов С.В., Рояк С.М., Иванов Ф.М. и др. // Тр.НИИцемента. 1952. Вып. 5. С. 3—28.
5. Попов Н.А., Орентлизер Л.П., Дерюгин В.М. Быстротвердеющие легкие бетоны на цементе мокрого помола. М.: Госстройиздат, 1963. 146 с.
6. Гусев Б.В., Ин Иен-лян Самуэл, Кузнецова Т.В. Цементы и бетоны - тенденции развития. -М.: Научный мир. 2012. - 134 с.
7. Самченко, С.В. Формирование и генезис структуры цементного камня. Монография / С.В. Самченко - М.: Московский государственный строительный университет, Ай Пи Эр Медиа, ЭБС АСВ, 2016. - 284 с. Режим доступа: http://www.iprbookshop.ru/49874
8. Кривобородов Ю.Р., Плотников В.В. Эффективность домола цемента в устройстве для диспергирования смесей // Цемент. 1988. № 12. С. 16-17.
9. Кривобородов Ю.Р., Еленова А.А. Применение микродисперсных добавок для ускорения твердения цемента // Строительные материалы. 2016. №9. - С. 65-67
10. Большакова Ю.С, Измайлова Р.А. К методике определения дисперсного состава цемента мокрого помола. В кн.: Материалы конференций и совещании по гидротехнике. Л.: Энергия, 1978. Вып. 121. С. 129—135.
11. Gusev B.V., In Y.-I.S., Krivoborodov Y. R. Acceleration of slagcement hardening // 14th International Congress on the Chemistry of Cement (ICCC 2015). — The Chinese Ceramic Society Beijing, China, 2015. — P. 3_9-1-3_9-5.
