Механоактивація, віброактивації у виробництві будівельних матеріалів
Тонкий помел матеріалів методом вільного удару
Ефект механоактивації компонентів бетонної суміші полягає в переході пасивної (неактивної) поверхні як в'яжучих, так і інертних матеріалів до хімічно активного стану, яке виражається в підвищеній здатності до реакцій в ході подальших технологічних операцій.
Збільшення активності матеріалів досягається в результаті подрібнення, диспергації (помелу) в спеціальних енергонапряженності агрегатах подрібнення (млинах).
Умовно можна виділити кілька основних способів подрібнення матеріалів з використанням енергонапряженності агрегатів тонкого помелу - подрібнення методом роздавлювання, стирання і розколювання (метод вільного удару), а також сукупність перерахованих методів. Типовий зразок агрегату подрібнення, що працює за методом стирання - кульова млин. Метод розколювання вільним ударом використовується в подрібнювачах-дезинтеграторах.
Руйнування (подрібнення) матеріалу методом вільного удару полягає у впливі на опрацьований матеріал механічних ударних елементів (бив) рухаються з високою окружною швидкістю. Дана модель руйнування матеріалів дозволяє досягати гранулометріі підвищеної монодисперсні.
Для матеріалу подрібненого за методом вільного удару характерна осколкова форма частинок, велика кількість відколів, тріщин і інших позитивних дефектів, що забезпечують умови, коли дезінтегровані суміші з утворилася нової високорозвиненої контактної поверхнею, легше вступають в твердофазні реакції з іншими матеріалами. Причому швидкість протікання цих реакцій, в більшості випадків, тим швидше і повніше, чим більше поверхня бере участь в процесі речовини.
Для тонкого помелу піску і домола цементу в виробництві бетону (пінобетону, полістиролбетону) краще використання агрегатів подрібнення за методом вільного удару.
Збільшення питомої поверхні методом вільного удару як інертних, так і в'яжучих компонентів бетонної суміші обумовлює збільшення їх активності (реакційної здатності), і як наслідок отримання бетонів, що мають підвищену міцність, особливо в першу добу тверднення.
Так, подрібнення піску методом вільного удару дозволяє не тільки підвищити його питому поверхню, отримати необхідний гранулометричний склад, але і поліпшити якість поверхні частинок шляхом видалення, руйнування поверхневих неактивних плівок. Створення новоствореної поліпшеною (без забруднень) поверхні зерен піску підвищує його реакційну здатність в різних процесах. Причому, неодноразове подрібнення одного і того ж піску дозволяє не тільки видалити забруднюючі плівки, а й надати піску в'яжучі властивості.
Збільшення питомої поверхні цементу, його реакційної здатності (активності) значно впливає на формування структури бетону, швидкості тверднення і його характеристики. Використання активованого цементу дозволяє сформувати більш щільну і однорідну структуру бетону, що дозволяє отримати різкий приріст одноденної міцності і збільшення її після закінчення 28 діб тверднення.
Активований стан як інертних, так і в'яжучих складових бетонної суміші, що досягається методом вільного удару, досить стійке. Однак, що утворилися енергоактивні поверхні, без подальшої участі в технологічних процесах, з плином часу можуть втратити свій потенціал механохимической активації. Це пояснюється тим, що тонкомолотиє, і особливо високодисперсні, матеріали більшою мірою схильні до ефектів агрегатування (флокулообразованія).
З практики застосування тонкомолотих пісків, які пройшли обробку методом вільного удару, є такі спостереження: за місяць активований стан піску стабільно стійке, незначне зниження (
на 10%) спостерігається після закінчення двох місяців. Пісок повністю втрачає свою перетворену реакційну здатність (активність) по закінченні шести місяців.
Значно швидше відбувається процес флокулообразованія зерен в'яжучого, а, отже, зниження і в кінцевому підсумку втрата його реакційної здатності. Причому, чим більш якісно активувався цемент, тим він більш схильний до агрегатування, що сприяє зменшенню «активної» питомої поверхні за рахунок інтенсивної конденсації на цементних зернах парообразной вологи і газів з навколишнього середовища. Освіта флокул, здатних утримувати всередині себе воду, роблячи її нерухомою, перешкоджає подальшому рівномірному змочування поверхні цементу приводить до неповноти використання всіх його потенційних можливостей. Як наслідок, від 30 до 70% цементного зерна не отримує можливості нормально прогідратіровать, відповідно 30-70% цементу не тільки не бере участі в процесі твердіння цементного каменю, але, граючи роль дрібних, пилуватих включень, послаблює міцність одержуваного бетону.
Саме через процеси флокулообразованія доцільне розміщення механізмів агрегатів помелу в безпосередній близькості до технологічних ліній виробництва товарних бетонів, а оптимальним варіантом може бути включення їх в технологічний потік. Наприклад, установка між складом цементу і ваговим дозатором цементу дозволить без зниження продуктивності основного змішувального обладнання виробляти потокову обробку (помел) матеріалу.
Особливо актуальна механоактивація компонентів у виробництві пінобетону, полістиролбетону, коли якість і стабільність характеристик складових суміші має особливо важливе значення.
Так, при виробництві пінобетону, полістиролбетону середньої щільності 800 кг / м 3 і нижче необхідно застосовувати або тонкий (Мк від 0,7 до 1,0), або дуже тонкий (Мк до 0,7) пісок. Це пов'язано з необхідністю скорочення товщини межпорових стінок, наближаючи сферичні тіла, як можна ближче один до одного. Пісок (зола, шлак) підвищеного модуля крупності в межпорових перегородці грає роль не компонента матеріалу перегородки, а є включенням, оточеним цементним зерном. Такі включення збільшують товщину межпорових перегородки, що відповідно збільшує і об'ємна вага матеріалу, так як такі великі включення не є елементами силового каркаса, межпорових перегородок, вони не збільшують міцність цементно-піщаної конструкції, а навпаки послаблюють її.
У підвищенні міцності межпорових перегородок теплоефективних будівельних матеріалів основну роль грає активність цементу. Головним фактором, що впливає на активність цементу, є показники його питомої поверхні. Чим вище питома поверхня цементу, тим вище його активність.
У виробництві пінобетону або полістиролбетону найбільш економічно вигідно легке доізмельченіе цементу. Так, збільшення питомої поверхні цементу в агрегатах подрібнення за методом вільного удару за один прогін на 3% дає збільшення його активності на 5%, що дає збільшення міцності в першу добу нормального твердіння на 45% від міцності контрольних зразків.
Застосування активованих компонентів суміші у виробництві пінобетону і полістиролбетону дозволяє отримувати матеріал стабільно високої якості.
Найбільш вражаючі результати збільшення міцності межпорових стінок в пінобетон і полістиролбетон низької щільності (менше 800 кг / м 3) досягаються при організації спільного помелу цементу і піску. При цьому агрегат подрібнення виконує свою пряму функцію, як агрегату подрібнювача, а також і функцію змішувача сипучих матеріалів.
Застосування методу спільного помелу сухих складових пінобетону і полістиролбетону дозволяє отримати абсолютно однорідну цементно-піщану суміш на основі активованого цементу і піску заданого гранулометричного складу. Як результат - збільшення міцності матеріалу як в першу добу тверднення, так і на 28 добу, скорочення часу витримки матеріалу у формах, зниження витрати цементу і можливість застосування цементу невисокої якості.
Активація матеріалу турбулентним перемішуванням при високочастотної вібрації
Так як всі процеси агрегатування тонкомолотих частинок починаються переважно на поверхні, то існує можливість перешкодити і (або) зменшити утворення цих процесів.
Перевіреним рішенням вище поставленого завдання, що сприяє більш повному використанню потенціалу тонкомолотих частинок, є методика тонкого помелу з подальшою віброактивації матеріалів на установках турбулентного типу, оснащених високочастотними бортовими вібраторами.
Механізм дії віброактивації цементно-піщаних сумішей спрямований на збільшення питомої поверхні в'яжучого, зміна поверхневої структури твердих частинок і прискорення взаємодії компонентів системи «цемент-вода-пісок».
При віброактивації цементно-піщана суміш піддається одночасно двом впливів: турбулентному перемішуванню і високочастотної вібрації.
У процесі перемішування забезпечується рівномірний розподіл вихідних матеріалів, видалення з зерен в'яжучого і заповнювачів неактивних поверхневих плівок, виняток грудкоутворення і пустот, а також попередження подрібнення зерен заповнювача. Окремі компоненти системи перетворюються в однорідну масу.
Процес вібрації сприяє рівномірному розподілу всіх компонентів системи і тимчасово усуває процес флокулообразованія.
Цемент ж набуває велику активність і додатково подрібнюється внаслідок диспергуючого дії зіткнення зерен заповнювача, що каталізує протікання фізико-хімічних процесів в системі «цемент-вода-пісок».
Зауважимо, що додаткове подрібнення цементу в процесі помелу, віброактивації викликає зміна в системі активних складових цементного клінкеру, і в першу чергу підвищений вихід трехкальциевого алюмінату (С3 А), що відповідає за набір міцності в початковий період гідратації.
Саме через швидку гідратації трехкальциевого алюмината для уповільнення термінів схоплювання при виробництві цементу вводиться сульфат кальцію, найчастіше у вигляді двуводного гіпсу. Без додавання гіпсу вийшов би миттєво схоплюється цемент.
Трехкальциевого гідроалюмінати при взаємодії з гіпсом утворює комплексне з'єднання гидросульфоалюмінат кальцію (еттрінгіт). Кристали еттрінгіта, огортаючи зерна цементу, ускладнюють доступ води і тим самим уповільнюють процеси гідратації.
Тому, проведення домола, віброактивації цементу в обов'язковому порядку повинно супроводжуватися введенням строго певної кількості двуводного гіпсу, що дозволяє регулювати терміни схоплювання і значно підвищити міцність затверділого каменю, особливо в початковий термін набору міцності.
Також вібраційний вплив забезпечує більш високу зв'язність системи, що має позитивний вплив на фізико-механічні властивості бетонів і розчинів, а також на збереження цих властивостей під час транспортування, укладання і надалі вібраційному ущільненні.
Позитивний вплив механізму віброактивації в числових значеннях виражається в наступному.
Наведемо результати лабораторних випробувань декількох розчинних сумішей, приготованих в турбосмесітеле-віброактіваторе.
Складові матеріали суміші:
- портландцемент ПЦ 500 Д0 виробництва «Осколцемент»
- пісок річковий Мк = 1,7 «Окського кар'єроуправління»
- гіпс двуводний
- вода
Були приготовлені чотири склади:
- контрольний склад (КС) - на основі цементу і піску;
- основний склад № 1 (ОС № 1) - цемент і пісок в співвідношенні, що і в контрольному складі, суміш піддавалася віброактивації;
- основний склад № 2 (ОС № 2) - цемент і пісок в співвідношенні, що і в контрольному складі, але з додаванням 0,3% двуводного гіпсу від маси цементу; суміш піддавалася віброактивації;
- основний склад № 3 (ОС № 3) - цемент і пісок в співвідношенні, що і в контрольному складі, але з додаванням 3,0% двуводного гіпсу від маси цементу; суміш піддавалася віброактивації.
У процесі приготування сумішей і в початковий період твердіння відзначено, що цементно-піщана суміш, піддана віброактивації, володіє великим виділенням тепла в порівняння з контрольним складом. Цей процес пояснюється збільшенням питомої поверхні зерен в'яжучого і, як наслідок, алюмінатних складової, яка має найвищої екзотермії в порівнянні з іншими компонентами цементного клінкеру.
З сумішей кожного складу були заформованими зразки-куби розчину, розміром 70,7х70,7х70,7 мм і витримані при температурі 20 ° С і відносній вологості у поверхні зразків 95%. Випробування по міцності на стиск у віці 1 і 28 діб проводились по ГОСТ 5802-86 «Розчини будівельні. Методи випробувань ».
Результати випробувань наведені в таблиці 1.
Найменування суміші, складу
Міцність на стиск у віці 1 доби, кгс / см 2
Приріст міцності в порівнянні з контрольним складом у віці 1 доби,%
Міцність на стиск у віці 28 діб, кгс / см 2
Приріст міцності в порівнянні з контрольним складом у віці 28 діб,%
На підставі результатів випробувань встановлено, що використання процесу віброактивації цементно-піщаних сумішей дозволить:
- Прискорити процес твердіння бетонних і розчинних сумішей в початковий період (до 65-70% проектної міцності через 24 годин від моменту замішування).
- Збільшити проектну міцність бетонів та розчинів у порівнянні з міцністю контрольного складу на 20-40% при однаковій витраті цементу.
- Скоротити витрати цементу до 17% для отримання бетонів і розчинів, равнопрочних контрольному складу в проектному віці.
Таким чином, два вищерозглянутих способу підвищення активності складових матеріалів бетонної і розчинної суміші, сприяють прискоренню процесів твердіння, збільшення добової і проектної міцності без збільшення витрати цементу, отримання готового продукту високої якості з поліпшеними фізико-механічними характеристиками.
Найбільший позитивний ефект активації досягається при спільному використанні в одному технологічному потоці заводами-виробниками ЗБВ двох вищеописаних способів.
Активація в'яжучих і інертних складових бетонної (розчинної) суміші методом вільного удару і подальша віброактивації в турбосмесітеле-віброактіваторе дозволяє економити дороге в'яжучий без зниження міцності готових виробів і збільшення їх собівартості, підвищити морозостійкість, поліпшити опірність всім видам зносу!