Сухие строительные смеси на основе молотого

Сухие строительные смеси на основе молотого портландцемента с кварцсодержащими
микронаполнителями
http://www.stroi.ru/tsch/list.asp?d=12&dc=916&dr=159934
Кварцсодержащие горные породы и промышленные отходы, используемые в качестве микронаполнителей, состоят из следующих породообразующих минералов:
кварца, полевых шпатов, каолинита и кварцевого (аморфного) стекла.
При измельчении микронаполнителей в мельницах происходит уменьшение среднего размера частиц, изменение их морфологии за счет экзогенных процессов [б],
возникающих от удара и трения стальными шарами и цилиндрами, и самое существенное - глубокие изменения значений поверхностной энергии показателя
структуры минералов.
Механизм происходящих процессов заключается в следующем. Сначала при дроблении кварца происходит разупорядочение его кристаллической решетки, а уже
при дальнейшем помоле, вслед за разрушением частиц - образование на их поверхности аморфизированных продуктов. Эта тенденция еще больше проявляется с
молотым кварцевым стеклом. В направлении глубины частицы слои кристаллов характеризуются возрастающими размерами, а в центре - неизмененной структурой
[1]. Аморфизация, т.е. получение переохлажденной жидкости кварца с высоким коэффициентом вязкости, значительно снижает поверхностную энергию активации и
повышает его химическую активность в пределах расстояний 0,5-1 нм, соответствующих формированию ближнего порядка атомов и молекул [2].
Для свежеизмельченных частиц или подвергнутых только поверхностному абразивному воздействию (например при простом смешивании) определяющей
характеристикой является поверхностная энергия (активация) [З]. Дальнейший переход к термодинамически устойчивому состоянию способствует: адсорбции на
частицах газообразных продуктов из воздуха, налипанию тонкоиз мельченных частиц к поверхности кристаллов, образованию экранирующих пленок из водных
растворов химических добавок [4].
Из приведенного механизма процессов следует, что создание сухих смесей на основе портландцемента с введением кварцсодержащих микронаполнителей
представляется важным направлением, позволяющим повысить в составе смешанного вяжущего химическую активность кварцевой составляющей и одновременно
- клинкерной за счет абразивного эффекта микронаполнителя.
При режимах приготовления, способствующих именно активации поверхности микронаполнителя (малое измельчение, умеренное истирающее действие и т.п.), т.е.
направленных только на повышение поверхностной энергии, возможно изготавливать обычные сухие смеси с порошкообразными добавками или компонентами
различного назначения. Однако очень важно в этом случае использовать весьма короткий период (от долей секунды до нескольких минут), когда поверхностная
энергия имеет высокие значения. По нашему мнению здесь весьма перспективно использование тонкодисперсных частиц основного вяжущего, которые хорошо
адсорбируются на активируемой поверхности, повышая в конечном итоге контактную зону с микронаполнителями, играя уже роль ускорителей твердения "кристаллических затравок".
Учитывая вышеизложенное, нами проводились исследования с различными кварцсодержащими наполнителями: пылью циклонной керамзитовой, порошком
перлита, молотым гранитом, кварцевыми хвостами и молотым кварцевым песком. Удельная поверхность их колебалась в пределах от 1700 до 5300 см2/г. По
активности наполнители (табл. 1) можно расположить в следующей последовательности: пыль циклонная, керамзитовая - порошок перлита - молотый гранит кварцевые хвосты - молотый кварцевый песок.
Таблица 1 Активность добавок по поглощению извести
№ Наименование
п/п микронаполнителей
Количество извести, поглощенной из
известкового раствора в течение 30
суток (15 титрований) в мг CаО на 1 г
добавки
1
Пыль
циклонная,
44,49
керамзитовая
2
Порошок перлита
42,07
Молотый гранит
16,58
При домоле кварцевого песка с удельной поверхности 2000 см2/г до 4000 и 6000 см2/г его
активность повышалась соответственно с 6,38 до 11,5 и 14,28 мг. О различиях в химическом
составе микронаполнителей свидетельствует содержание растворимого кремнезема
(табл.2).
С увеличением удельной поверхности кварцевого песка до 2000, 4000 и 6000 см 2/г
растворимость кварца повышалась и составляла соответственно 17,21: 32,29 и 32,89 мг/л.
Активность наполнителей (Н) в смесях с портландцементом (Ц) Подольского завода
определяли при соотношениях (% по массе) Ц + Н: 90+10, 80+20 и 70+30 по нарастанию
4
Кварцевые хвосты
10,17
пластической прочности строительных растворов. Составы с 10% наполнителя
Молотый
кварцевый
характеризовались ранним наступлением структурообразования. Из них были изготовлены
5
6,38
песок
образцы размером 40х40х160 мм и испытаны через 7,28 и 90 суток. Результаты испытаний
показали, что наиболее активным микронаполнителем во всех трех составах является
керамзитовая пыль. Несколько меньшим по эффекту активности - перлит. Довольно активным оказался молотый гранит в составах 90+10 и 80+20%, который по
эффективности не отличался от керамзитовой пыли.
3
Таблица 2 Содержание SiO2, Мг/л
Вытяжка
№ Наименование
п/п микронаполнителей
Раствор, близкий по
составу к поровой
Вода Ca(OH)2
жидкости цементного
камня
1
Пыль
циклонная,
11,11 4,5
керамзитовая
2,9
2
Порошок перлита
26,32 1,6
2,05
3
Молотый гранит
50,55 1,4
5,8
Вопросы формирования структуры частиц в смешанных цементах [5] приобретают особое
значение, так как микронаполнители являются абразивными телами. Опыты показали, что
помол клинкерного цемента идет интенсивнее с увеличением количества абразивнодействующего материала, причем до того момента, пока его частицы будут крупнее зерен
клинкерного компонента. После уравнивания их гранулометрии изменение носит
затухающий характер и уже не зависит от наличия песчаного компонента. Но измельчение
самого песка происходит интенсивнее.
Для получения оптимальной гранулометрической структуры существенным фактором
является время введения песка, которое зависит от исходной гранулометрии порошка и от
той гранулометрии и структуры, которую должны иметь после помола.
Для определения влияния фактора времени введения песка на структуру песчаного
портландцемента было выбрано 6 цементов состава 80+20% (клинкер + песок). Время для
Молотый
кварцевый
помола клинкера без микронаполнителя до значений удельной поверхности соответственно
5
17,71 1,6
3,15
песок
500; 1000: 1500; 2500; 3500; 4500 см2/г в каждом опыте принималось за 100%, а
приведенные значения удельной поверхности соответствовали 50% от их окончательной величины. В дальнейшем вводился песок через период
продолжительностью в 20,50,70 и 95% от времени, необходимого для получения портландцемента без микронаполнителя требуемой удельной поверхности. Из
проведенных исследований было установлено, что максимальное увеличение удельной поверхности клинкерного компонента имело место для портландцемента с
исходной удельной поверхностью 3000 и не менее 1500 см2/г, а для цементов с исходной удельной поверхностью менее 1500 и более 3000 см 2/г интенсивность ее
увеличения понижалась. Результаты испытаний показали, что наиболее рационально вводить микронаполнитель таким образом, чтобы оставшееся время
окончательного домола портландцемента было близко или равно времени помола песка (в нашем случае 50% от времени помола). В этом режиме в песчаном
портландцементе с удельной поверхностью 2000-4000 см2/г получается наибольшее количество фракции 40 мк, при наименьшем содержании песчаного
компонента и его равномерном распределении среди фракций - более 40 мк. Опыты показали, что при большем времени (через 80%) до введения песка клинкерная
часть измельчалась тоже весьма эффективно. Песок при этом еще не успевает полностью измельчиться и поэтому наиболее рационально за время его введения
считать период, после которого микронаполнитель успевает измельчиться до значений удельной поверхности портландцемента.
4
Кварцевые хвосты
5,93
1,06
4,06
Для выявления абразивного действия микронаполнителя предварительно измельченный (до удельной поверхности 2500 см 2/г) клинкер и песчаный компонент с
крупностью зерен более 200 мкм вводили в лабораторную мельницу без мелющих тел. После этого клинкерную часть и микронаполнитель разделяли просевом
через сито с размером ячеек 100 мкм и затем определяли прочность цементного камня.
Результаты испытаний на прочность (табл.3) цементного камня, полученного из цементов, измельченных абразивным воздействием микронаполнителя на
портландцемент, показали, что при увеличении песка до 80% прочность в возрасте 28 суток повышается на 10-12% по сравнению с прочностью цементного камня
на цементе без абразивного воздействия.
Таблица 3 Прочность цементного камня в зависимости от
количества абразивного материала
Вещественный состав
цемента клинкер+песок, %
Прочность образцов размером
20х20х20 мм на сжатие, МПа в
возрасте, сут.
1
3
7
28
100+0*
6,0
36,9
55,0
60,0
100+0
6,6
42,3
60,2
68,8
80+20
7,2
43,5
62,8
69,8
50+50
5,5
38,2
54,0
60,2
20+80
4,8
22,5
30,2
40,8
Примечание: * без домола.
Таким образом смешивание микронаполнителя с цементом по времени необходимо осуществлять
тогда, когда период его домола будет равен времени помола микронаполнителя до величины
удельной поверхности цемента. При этом достигается рациональный гранулометрический состав
зерен клинкера и микронаполнителя, их равномерное распределение, а также наилучшим образом
используются абразивные свойства микронаполнителя. Удельная поверхность получаемого
смешанного цемента близка к удельной поверхности исходного портландцемента. В клинкерной
составляющей наблюдается повышенное содержание мелких фракций. Исследования возможности
получения смешанного цемента проводили потрем направлениям: совместным помолом клинкера и
кварцевого песка; смешением портландцемента с молотым песком определенной дисперсии и
помолом портландцемента последовательно по двум стадиям - сначала цемента, а затем совместно
с наполнителем. Опыты показали, что для первого случая характерна тщательность перемешивания
и наличие всех процессов, указанных выше; во втором - эффективность ограничивается
повышением активации поверхности цемента и наполнителя, а в третьем способе - вводится новый
элемент - повторный помол портландцемента. При этом зерна портландцемента за счет
абразивного эффекта частиц песка дополнительно измельчаются, а уже измельченные частицы
песка замещают крупные зерна клинкера, способствуя формированию благоприятной структуры при
твердении цементного камня.
Из анализа результатов помола установлено, что удельная поверхность клинкерного компонента заметно увеличивается при добавлении песка до 20% (в 1,5) и
менее значительно - в количестве до 40% (в 1,8 раза). Дальнейшее увеличение песка не влияет на величину удельной поверхности. Максимальное количество его
возможно ограничить до 30%.
Экспериментальные данные, анализ экономической целесообразности и технической реализации показали, что целесообразным является помол песчаных
портландцементов до оптимальных структур при следующих условиях: помол клинкера в течении 135 мин. до удельной поверхности 3500 см2/г или помол до
удельной поверхности 2500 см2/г в течение 90 мин., а далее добавляется песчаный компонент в количестве 20% и величина удельной поверхности песчаного
портландцемента доводится до 4000 см2/г при общей продолжительности около 180 мин.
Выводы:
1. Кварцсодержащие наполнители по активности располагаются в последовательности: пыль циклонная, керамзитовая -> порошок перлита -> молотый гранит ->
кварцевые хвосты -> молотый кварцевый песок.
2. Абразивное действие песка при помоле продолжается до тех пор, пока его частицы не уменьшатся до размеров частиц клинкера. При этом эффективное
увеличение удельной поверхности песчаного портландцемента происходит при условии, если исходные значения ее у портландцемента находятся в пределах от
1500-1300 см2/г.
3. Введение песка в помол через время, составляющее 80 % от периода всего цикла помола, способствует получению оптимальной гранулометрии песчаного
портландцемента.
4. Наиболее эффективным способом получения песчаного портландцемента с высоким коэффициентом использования клинкерной составляющей является
двухстадийный помол, оптимальным составом является: клинкер 80%+песок 20%.
Библиографический список:
1. Ходаков Г.С. Физика измельчения. - М., Наука, 1972, 308 с.
2. Китайгородский А.И. Порядок и беспорядок в мире атомов. - М., 1996.
3. Усов Б.А., Домокеев А.А. Об эффекте активации добавок. Бетон и железобетон. № 41. 1991.
4. Борщ ИМ., Вознесенский В.А. и др. Процессы и аппараты в технологии строительных материалов. - Киев. Высшая школа, 1981.
5. Попов Л.Н. Домол цемента. В кн.: Технология бетонных и железобетонных изделий. - М., Высшая школа, 1972, с., 163-164.
6. Якушева А.Ф. Динамическая геология. - М., 1970.
15.07.2003
"Строительные материалы, оборудование, технологии XXI века"