CC BY
11Несмеянов Н.П., канд. техн. наук, доцент Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова
ВЫПУСК ЦЕМЕНТА С ЭКСЕРГИЕЙ ПО ТРЕБОВАНИЮ ПОТРЕБИТЕЛЯ ДЛЯ СУХИХ
СТРОИТЕЛЬНЫХ СМЕСЕЙ
nesmeynov@mail.ru
В статье содержаться сведения об одном из прогрессивных направлений в строительном материаловедении - сухих строительных смесях (ССС)
Приведены новые критерии оценки качества цемента и ССС, предложена комплексная математическая модель определения эксергии и ее концентрации для выпуска цемента с заданными свойствами.
Ключевые слова: эксергия цемента, комплексная математическая модель, сухие строительные смеси.
На современном этапе развития техники, технологии и строительства все острее появляется необходимость в материалах, обладающих высокими потребительскими характеристиками. Потребность в таких материалах имеется в самых разнообразных отраслях промышленности, в том числе и в строительстве.
Строительные растворы, содержащие вяжущие материалы, известны достаточно давно. Они применялись ранее и применяются в настоящее время при выполнении многих видов строительных работ. На строительные площадки строительные растворы доставлялись уже в готовом жидком виде и должны были быть использованы в короткие сроки. Строительные растворы также готовились на строительной площадке и тут же должны быть использованы.
Развитие химической технологии производства органических материалов позволило получить новый класс строительных материалов -сухие строительные смеси.
Этот вид строительных материалов принципиально изменил технологию выполнения строительных работ. Готовые сухие смеси возможно перевозить на любые расстояния и они подлежат длительному хранению. Технология их применения достаточно просто механизируется и автоматизируется.
Выполнение большого объема научных исследований и использование их результатов позволили в короткие сроки организовать производство широкого спектра составов сухих строительных смесей. Однако до настоящего времени производство сухих строительных смесей, в основном, основано на импортных органических добавках, которые в значительной степени определяют цену готового продукта.
В общей классификации сухих строительных смесей (ССС) цементные смеси являются наиболее распространенными и имеют свою
широкую область применения. Понятно, что качество таких смесей в определяющей степени зависит от вида и свойств используемых цементов. Но здесь следует отметить, что даже если вид цемента для конкретной смеси определен, задача достижения максимального качества этой смеси и его стабилизации все равно продолжает оставаться до конца не решенной.
Практика показывает, что в рамках любого выпускаемого изготовителем типа и класса прочности цемента всегда имеется множество вариантов такого вида цемента и качество каждого поступающего к потребителю цемента, отличается от предыдущего. Поэтому потребителю каждый раз приходится иметь дело как бы с новым цементом с его измененным химико-минералогическим (Х.М.) и зерновым составами (З.С.) учитывающими изменения вида и свойств других компонентов, входящих в состав этого изделия. При этом совпадение этих заданных потребителем характеристик цемента с их фактическими значениями и означает решение задачи «выпуска цемента на заказ».
Спрашивается, можно ли в принципе получить такой цемент? Традиционные методы оперативного контроля качества цемента и технологические схемы его измельчения не позволяют практически выпустить адекватный изделию такой конкретный цемент. И это, прежде всего, потому, что потребитель не знает, как сформулировать требования к свойствам нужного ему цемента, и поэтому использует один, чаще два стандартных вида, а завод не может выпустить такой специально ориентированный на конкретное изделие цемент. Все естественные негативные изменения в свойствах поставляемого цемента потребитель вынужден компенсировать повышенным его содержанием и специальными добавками в составе изделия, что естественно удорожает его стоимость. Использование новых
эксергетических характеристик качества цемента и внедрение мельниц дискретно-непрерывного действия МДНД позволило решить новую для цемзаводов задачу «выпуска цемента по индивидуальному заказу».
Исследования показывают, что использование эксергетического анализа в технологии цемента обеспечивает гарантированное снижение энергозатрат, и с этой точки зрения технологическая схема производства цемента должна быть оптимизирована таким образом, чтобы на конкретном сырье и оборудовании получать цементы с максимальной эксергией (Ецем^-Бцемтах). При этом подразумевается обязательный учёт его абсолютной величины Ецем (кДж/кг) и Ецем /& (кДж/(кг-мкм)), где ё, - размеры частиц, определяющие свойства цемента в изделиях, Таким образом, вводится новый единый энерготехнологический критерий оптимизации - Ецем, который учитывает все составляющие технологии цемента как единой системы механотермо-химического превращения сырья в цемент.
При всех разногласиях по этому вопросу бесспорным можно считать лишь то, что эксер-гетический анализ как метод исследования - это явление объективное, количественно описывающее энергетическое взаимодействие преобразуемых и преобразующих потоков и энергетическую природу получаемых целевых продуктов - клинкера, цемента.
Предлагаемое нами понятие "эксергии цемента" вытекает из классического определения эксергии, как меры работоспособности потока вещества или энергии. Эксергия цемента - эта комплексная энергетическая характеристика качества порошка цемента, учитывающая его химико-минералогический и дисперсный составы. Чем больше Ецем и Ецем /&, тем выше марка цемента, тем лучше при прочих равных условиях будут проявляться его строительно-технические свойства (СТС) и потребительские качества в ходе его дальнейшего использования. Эксергия цемента характеризует энергетические свойства портландцемента, его потенциальные возможности, заложенные в нём при его получении в конкретных условиях, которые всегда постоянно меняются даже на одном цементном заводе. Поэтому надо понимать, что двух одинаковых эксергии цемента не бывает, что объясняет и описывает, почему имеет место практически бесконечный мир цементных дисперсных порошков.
Ниже приводится комплексная математическая модель эксергии и ее концентрации для цемента, доказывающая принципиальную возможность решения самого вопроса выпуска произ-
водителем цемента с эксергией по требованию потребителя и адекватной поэтому потребительским свойствам изделия. При этом в качестве объекта применения цемента рассматривается наиболее сложный и достаточно типовой вариант использования цемента в изделиях, а именно в составе сухих строительных смесей (ССС), формируемых на основе бездобавочного портландцемента.
Прежде всего отметим те объективно существующие особенности технологии получения цемента, которые объясняют, почему цемзаводы до настоящего времени не могли выпускать заказной цемент, т.е. такой цемент, у которого фактические количественные значения минералогического и зернового составов совпадали бы с данными, приведенными в технических требованиях потребителя.
В рамках любого выпускаемого изготовите -лем типа и класса прочности цемента всегда имеется множество вариантов такого вида цемента и качество каждого поступающего к потребителю цемента, отличается от предыдущего. Поэтому потребителю каждый раз приходится иметь дело как бы с новым цементом с его измененным химико-минералогическим (Х.М.) и зерновым составами (З.С.).
Для того чтобы выпускать «цементы на заказ», необходимо четко определить, какие параметры цемента должны быть указаны потребителем в техническом задании на его выпуск. Использование стандартных показателей качества без комплексной энергетической оценки качества используемого цемента недостаточны для формулировки требований к этому конкретному цементу для выпуска его производителем.
Методическую основу нового способа стабилизации качества составляет комплексная математическая модель (1-16), описывающая эк-сергетическое: превращение потоков и условия достижения ЕСССтах. Термин «комплексная математическая модель» означает, что отдельные ее составляющие могут использоваться как самостоятельно, так и в совокупности, в зависимости от цели и конкретных задач при анализе процессов технологии получения цемента или смесей.
-^цем Ь-^кл +Е(РЧЭ)] ^ Е цем.тах (1)
Ецем/^-ср ^ (Ецем/^-ср)тах (2)
Д(Е цем ) ^ Д(Е цем/ min (3)
Д(А)=ед(Ецем)]^Д(А)тт; А2Д=:Г(Ецем/аср)Т (4) Е(ССС)=аЕцем+ЬЕзап+сЕнап+йЕдоб (5)
Д(Ессс)=аД(Ецем)+ЬД(Езап)+сД(Енап)+аД(Едоб) (6)
ЕССС+Епот=Ецем+Езап+Енап+Едоб+Еподв (7)
1. Свойства порошка сухой смеси -уравнение (5).
2.
Свойства
растворной смеси
Ер.с .=0,84Ессс+0,16Еводы (8)
3. Свойства затвердевшей растворной смеси
Ез.р.с. Ер.с.+Еусл.прим (9)
Еводы Твозд; Тводы); Еусл.пр. №кр.ср, Токр.ср.; Р;
и т.п.)
ЕССС^ЕССС max цем.тах ) (10)
Ессс/4р^ (Ессс/йор) max Д^цем^ср^ах (11)
Д(Ессс)^Д(ЕсСс)тт=ОД(Ецем)тт] (12)
кт =
Д (48) вх
Д (А
28 / вых
Дi = е ~ктвыт
Д 0
Дг 1
- 1
Д 0 1 + ктс Дг
, - кТв,
е
Д 0
(13)
(14)
(15)
(16)
1 + Т
где Екл - эксергия размалываемого
материала, клинкера;
Екл = /(вид сырьевых компонентов; КН; п;р; СзБ; С£; САСАк)
Е(РЧЭ) - эксергия зернового состава или распределение частиц по их эксергии;
< - размеры частиц цемента, определяющие свойства цемента в изделиях;
Д(Ецем), Д(А) - дисперсии эксергии и активности цемента.
а, Ь, с, <1, Еi и Дi - соответственно доли, эк-сергии и дисперсии цемента, заполнителя, наполнителя и добавок, входящих в состав смеси.
W и Твозд - влажность и температура атмосферного воздуха;
Твода - температура воды;
Woкp.cp; Токр.ср.; Р - соответственно влажность, температура, давление у объекта применения смеси.
Анализ этих зависимостей (1-16) позволяет сделать следующие выводы:
1. Предложена новая энергетическая характеристика (уравнения 1-4) качества порошка цемента, а именно - эксергия цемента Ецем, его концентрация Ецем/<ср и дисперсия «Д», которые количественно характеризуют качество каждой конкретной партии цемента. Критерии (1-4) являются здесь определяющими при разработке технического задания на выпуск заказного цемента, входящего в состав сухих строительных смесей (ССС).
2. Цемент и ССС, как объект эксергетиче-ского анализа, можно отнести к дисперсным системам (ДС) практически соизмеримого по-
рядка и функционального назначения. Поэтому определение понятия эксергии сухой строительной смеси - ЕССС дается по аналогии с понятием эксергии цемента - Ецем как меры его работоспособности. Эксергия смеси - это комплексная энергетическая характеристика качества формируемой из «п»-го числа компонентов смеси, учитывающая химико-минералогический и дисперсный составы, физико-химические и физико-механические свойства входящих в ее состав компонентов.
3. Для дисперсных систем (ДС) очень важным параметром, оказывающим определяющее влияние на оценку эффективности использования эксергии частиц различного размера, является отношение величины эксергии к, например, среднему диаметру этих частиц dGp. Такой критерий Еср можно назвать концентрацией эксергии этой дисперсной системы. Поэтому величины Е; и Е;Мср следует всегда рассматривать совместно. Вообще говоря, чем больше Еср., тем больше концентрация эксергии этой дисперсной системы, и тем меньше будут материальные и энергетические затраты при использовании такой ДС.
Чем больше для цемента и смесей Е и ЕМср, тем лучше при прочих равных условиях будут проявляться их строительно-технические свойства (СТС) и потребительские качества в ходе их дальнейшего использования. Эксергии цемента и смеси характеризуют их энергетические свойства, заложенные при их получении в конкретных условиях, которые всегда постоянно меняются. Поэтому надо понимать, что двух одинаковых эксергий цемента и смеси не бывает, что объясняет и описывает, почему имеет место практически бесконечный мир цементных дисперсных порошков и смесей на их основе.
4. Качество ССС=А(Ессс) и чем > Ессс и меньше ее дисперсия Д(ЕССС), тем лучше потребительские качества смеси в ходе ее дальнейшего использования. Из уравнения (5) следует, что при Езап, Енап и Едоб ~ const, эксергия смеси будет определяться прежде всего эксергией цемента, его параметрами (1-4), и чем > Ецем, тем будет > Ессс, и тогда Д(Ессс)тп=АД(Ецем)тт]. Как эксергия цемента определяет меру его работоспособности в изделии, где он используется, так и эксергия ССС определяет меру ее работоспособности в строительном изделии, материалах и конструкциях, где используются ССС. Отсюда ясно, что изменения в Ецем неизбежно повлекут и изменения в Есмеси, а значит и в изменении ее свойств. Чем больше стабильность качества цемента, тем особенно стабильнее качество цементных смесей, которое зависит от вида и
свойств используемого цемента, схемы его получения, использования и контроля Ецем, Ецем^сср, Д(Ецем ) на цемзаводе и предприятии-изготовителе смесей.
5. Из определения понятия эксергии цемента Ецем и смеси ЕСсс на его основе следует, что технологический процесс получения смеси должен быть организован таким образом, чтобы достигнуть ЕСССтах, что возможно при обязательном соблюдении условий (1-4), и прежде всего при Ецем.тах. Таким образом, выбор цемента для достижения максимального качества смеси СССтах должен осуществляться при экстремальных значения его эксергетических характеристик (1-4), соблюдение которых обеспечит и экстремальные значения параметров (8-12) смеси. Это значит, что чем больше Ецем. и стабильнее его качество Д(А28)тт (где Д - дисперсия активности А28 цемента), тем больше ЕСсс, лучше и стабильнее качество смеси на основе этого цемента, и тем больше песка может быть в составе этой смеси.
6. Для формирования максимального качества смеси с ЕССС тах совершенно недостаточно использование выбранного стандартного цемента, у которого имеют место произвольные и нерегулируемые значения эксергетических параметров (1-4), обусловленные применяемой технологией и оборудованием. На энергетическую эффективность качества смеси влияет не столько вид цемента, сколько его эксергетические характеристики. Поэтому нужно специально выпускать цемент для ССС. Такой цемент, удовлетворяющий при заданной активности цемента требованиям параметров (1-4), и обеспечит экстремальные эксергетические значения параметров (8-12) качества смеси, что и требовалось доказать.
7. Для каждой смеси нужно использовать только свой цемент со своими конкретными эк-сергетическими характеристиками, которые обязательно должны быть приведены в технических требованиях на выпуск «цемента на заказ». Два главных объединяющих параметра из них -ЕцемМср и Д(А28), которые служат критериями
выбора адресного цемента при получении цементов одного типа и класса прочности.
8. Увеличение степени однородности смеси в объеме смесителя обеспечивает стабилизацию качества смеси на выходе из смесителя, что проявляется в уменьшении дисперсии активности цемента - ключевого компонента в смеси.
Решение этой задачи, как основной при проектировании и создании смесителей нового поколения, позволит получать конкурентоспособную строительную смесь со стабильным составом и низким коэффициентом отклонения от заданных свойств. А в сочетании с эксергетиче-ским анализом получать ССС с заранее заданными свойствами под конкретного потребителя.
На кафедре МО БГТУ им. В.Г. Шухова был разработан пневмомеханический смеситель, который соответствует поставленным задачам для получения ССС отвечающих требованиям современной стройиндустрии. За основу было взято механическое смешивание компонентов смеси с помощью вертикального лопастного вала, но для достижения высокой однородности компонентов смеси в смесительную камеру подавался сжатый воздух с заданным направлением и скоростью воздушного потока.
Анализ работы пневмомеханического смесителя для приготовления сухих строительных смесей будет представлен в дальнейших материалах.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Козлов, В. В. Сухие строительные смеси./ В. В. Козлов // Москва. Издательство: Ассоциация строительных вузов. 2000 г., 96 с.
2. Вердиян, М. А. Эксергетический анализ процессов химической технологии (на примере технологии цемента)/ М. А. Вердиян, Д. А. Бобров, А. М. Вердиян, Е. В. Текучева, И. М. Тынников, Н. П. Несмеянов, Р. Т. Лукманов, С. И. Перунов// - М.: РХТУ им. Д.И. Менделеева, 2004. - 68 с.
3. Вердиян, М. А. Эксергетический анализ в задачах формирования состава и стабилизации качества цементных строительных смесей/ М. А. Вердиян, Р. Т. Лукманов, А. М. Вердиян, Н. П. Несмеянов, Д. П. Селюк, В. Г. Пермяков // - М.: Издательство МА-СИ, 2006. - 86 с.
