Закрытое акционерное общество «Урал-Омега»
+7 (499) 704-48-08
+7 (3519) 22-00-49
+7 (499) 704-48-08
+7 (3519) 22-00-49

Шлакощелочные вяжущие центробежно-ударного помола

Нюркина А.В., аспирант (Магнитогорский Государственный Технический Университет им. Г.И. Носова)

Большинство стоимостных факторов при производстве шлакощелочного вяжущего связано, главным образом, с его помолом. Традиционно тонкий помол шлака производится в трубных мельницах, чаще работающих по открытому циклу. Недостатками таких мельниц является высокое потребление электроэнергии вследствие агрегирования частиц при помоле, налипания их на рабочие поверхности и недостаточного воздействия мелющих тел на материал, что снижает не только производительность таких мельниц, но и влияет на качество получаемого материала – его гранулометрический состав и тонкость помола. По перечисленным причинам получаемые ранее шлакощелочные вяжущие отличались нестабильностью свойств, вследствие чего их применение на территории РФ не нашло широкого применения.

Одним из способов устранения вышеперечисленных недостатков и, следовательно, повышения качества шлакощелочных вяжущих, является применение эффективных измельчителей центробежно-ударного действия, в частности центробежно-ударных мельниц МЦ, изготавливаемых НПА «Урал-Центр», которые позволяют получать материал практически монофракционного зернового состава размером преимущественно 20 мкм. Измельчающие воздействия в центробежно-ударной мельнице приводят не только к интенсивному измельчению шлака, но и изменению его физико-химического состояния и структуры, то есть происходит механохимическая активация шлака, что сопровождается увеличением его потенциальной энергии вследствие увеличения поверхностной энергии и числа дефектов структуры. Это в свою очередь влияет на интенсивность и направление химической реакции взаимодействия шлака с активизатором.

Целью данной работы явилась разработка качественного шлакощелочного вяжущего со стабильными свойствами из доменных гранулированных шлаков центробежно-ударного помола.

Для решения поставленной задачи в работе использовали шлак доменного производства ОАО «ММК» (М0=0,91; Ма=0,4; Кк=1,68). В качестве активизаторов использовали Al2(SO4)3∙18H2O, Na5P3O10, Na2CO3, содощелочной плав, NaOH, Na2OnSiO2, и комплексные активизаторы на их основе. Также использовали природную цеолитсодержащую добавку Сибайского месторождения.

Любая поверхность характеризуется некоторым избыточным потенциалом – наличием избыточной поверхностной энергии, в результате которой происходят самопроизвольные реакции на поверхности вещества [1]. Это касается и вяжущих веществ в отношении реакций, обеспечивающих межзерновую конденсацию, то есть образование кристаллического сростка. Но интенсивность той или иной реакции зависит не только от наличия потенциала на границе раздела фаз и степени дефектности структуры, но и от природы другого компонента любой вяжущей системы – жидкой фазы: в случае цементов – это вода, а в случае шлаковых вяжущих – активизатор. В любом случае жидкая фаза должна обладать высокой реакционной способностью по отношению к твердой фазе. Следовательно, определяющим фактором, от которого зависят свойства получаемого вяжущего, является выбор вида активизатора.

Как видно из рисунка 1, наиболее эффективной является щелочная активизация шлака, а наиболее эффективное воздействие из всех щелочных активизаторов оказывает модифицированное гидроксидом натрия жидкое стекло как при хранении в нормальных условиях, так и после тепловой обработки.

Рисунок 1 – Влияние вида активизатора на свойства шлакового вяжущего:

1 H2O; 2 – Al2(SO4)3; 3 – NaOH; 4 – NaOH+Al2(SO4)3; 5 – Na5P3O10;

6 – Na2O∙nSiO2; 7 – Na2O∙nSiO2+NaOH; 8 – Na2CO3; 9 – содощелочной плав;

Помимо вида активизатора на качество шлакощелочных вяжущих влияют такие факторы как растворошлаковое отношение, условия твердения и т.п. [2], однако удельная поверхность и зерновой состав шлаков в значительной степени определяют свойства вяжущих на их основе.

Для различных видов вяжущих существует такая оптимальная тонкость помола, при которой необходимые свойства вяжущего соответствуют оптимальному расходу энергоресурсов. Результаты работ разных авторов по определению оптимальной величины тонкости помола, соответствующей максимальной активности шлакощелочного вяжущего, в различных случаях не схожи. Также существуют различные мнения относительно влияния частиц разных фракций на свойства вяжущего. В связи с этим были проведены исследования по влиянию зернового состава на свойства шлакощелочного вяжущего. При этом использовали шлак двух фракций: «мелкий» шлак – шлак, содержащий в своем составе фракции преимущественно 0-20 мкм, и «крупный» – фракции 20-100 мкм. В качестве активизатора использовали состав низкомодульного жидкого стекла, подобранного выше.

Для данной двухфракционной системы определяли оптимальный зерновой состав путем добавления «мелкого» шлака к «крупному» с шагом 20%. Исследуемые составы приведены в таблице 1.

Таблица 1.Удельная поверхность шлаков различных составов

№ состава

Содержание «крупного» шлака с

Sуд=182,9 м2/кг, %

Содержание «мелкого» шлака с

Sуд= 700,1 м2/кг, %

Удельная

поверхность,

Sуд, м2/кг

1

100

0

182,9

2

80

20

294,1

3

60

40

455,2

4

40

60

570,7

5

20

80

620,5

6

0

100

700,1


Результаты проведенных исследований свойств вяжущих различного состава приведены в таблице 2.

Таблица 2. Влияние удельной поверхности и зернового состава на свойства шлакощелочного вяжущего

Состав №

Sуд,

м2/кг

Н.Г.,

%

Сроки

схватывания, ч-мин

Rсж, МПа, после

начало

конец

ТВО

28 сут.

1

182,9

29

1-31

2-36

41,65

59,98

2

294,1

33

1-20

2-33

58,58

72,74

3

455,2

41

0-53

2-18

48,29

60,79

4

570,7

46

0-32

1-58

47,80

57,33

5

620,5

52

0-29

1-43

36,97

60,35

6

700,1

59

0-21

1-28

64,52

72,80


Из представленных данных следует, что увеличение удельной поверхности ведет к росту значений нормальной густоты и сокращению сроков схватывания за счет увеличения содержания «мелкой» фракции в составе вяжущего.

По прочностным характеристикам оптимальными составами являются состав 2 (80% «крупного»:20% «мелкого») и состав 6 (100% «мелкого»). Повышение прочностных характеристик в первом случае в значительной степени может быть связано с получением более плотной упаковки зерен состава 2 путем перераспределения частиц в объеме таким образом, что пустоты, создаваемые более крупными зернами, заполняются зернами меньшего размера. Однако с технологической точки зрения этот состав непригоден, так как в процессе формования происходит раствороотделение и расслоение смеси, что связано недостаточным количеством зерен «мелкой» фракции, обладающих водоудерживающей способностью, в результате чего происходит седиментационное осаждение частиц «крупной» фракции.

Таким образом, полученные результаты позволили установить, что величина удельной поверхности шлака, при которой свойства вяжущего оптимальны, составляет 700,1 м2/кг, т.е. состав, содержащий 100% «мелкого» шлака, является оптимальным. Повышение прочностных характеристик в данном случае в значительной степени связано с содержанием тонкой фракции шлака, а именно с высокой скоростью гидратации этих частиц, которая обусловлена, главным образом, увеличением поверхности взаимодействия этих частиц с жидкой фазой.

При использовании в качестве активизатора модифицированного гидроксидом натрия жидкого стекла на поверхности образцов образуются высолы. Связано это с тем, что в системе остается часть щелочи в свободном состоянии, которая, мигрируя к поверхности образцов, карбонизируется. Из литературных источников [2, 3] известно, что снижению высолообразования наряду с повышением прочности системы способствует введение в шлакощелочные вяжущие алюмосиликатных добавок. Поэтому было решено использовать природную алюмосиликатную добавку – цеолит, которую вводили в шлак до его затворения щелочным компонентом.

Таким образом, в ходе исследований было установлено оптимальное соотношение компонентов вяжущей системы, позволяющее получать вяжущее марки 700.

Кинетика набора прочности вяжущего представлена на рисунке 2, откуда видно, что наиболее интенсивный набор прочности идет до 28 суток, благодаря высокой дисперсности и значительной удельной поверхности шлака. Дальнейший прирост прочности до полугода можно объяснить наличием в составе вяжущего породообразующего минерала цеолитсодержащей добавки (клиноптилолита), который, благодаря кристаллохимическим особенностям своего строения, выступает в качестве «аккумулятора» воды затворения с растворенными в ней ионами гидратирующейся системы, обеспечивая поступление воды на поздних сроках твердения и, тем самым, создавая условия для дополнительного образования гидратных фаз, более глубокой гидратации зерен.

Рисунок 2 – Кинетика набора прочности вяжущего при твердении в нормально-влажностных условиях

Скорость набора прочности системы постепенно снижается и в возрасте от полугода до 1 года практически прекращается, что свидетельствует о завершении процесса гидратации шлаковых зерен, о полном их прореагировании.

Положительное влияние на свойства шлаковых вяжущих, как было оговорено выше, оказывает автоклавная обработка, которая значительно ускоряет процессы твердения и повышает активность вяжущего: при запаривании образцов-балочек вяжущего в лабораторном автоклаве при давлении 0,2 МПа активность вяжущего увеличивается - при времени изотермической выдержки 4 ч. – до 85 МПа, 6 ч. – до 91 МПа, что соответствует приросту прочности 14 и 22% соответственно.

Также установлено, что полученное вяжущее обладает стойкостью против действия коррозии I и II видов. Коэффициент стойкости вяжущего в возрасте 1 год составляет 0,9 и 0,82 для I и II видов коррозии соответственно.

Таким образом, на основании изложенного, можно подвести итог, что с помощью центробежно-ударных мельниц НПА «Урал-Центр» возможно получать качественные высокомарочные шлакощелочные вяжущие со стабильными свойствами.

Литература:

  • В.Д. Кузнецов. Поверхностная энергия твердых тел. – М.: Стройиздат, 1954. – 220 с.
  • В.Д. Глуховский, В.А. Пахомов. Шлакощелочные цементы и бетоны. – Киев, 1978. – 184 с.
  • Г.И. Овчаренко. Цеолиты в строительных материалах. – АлтГТУ, 2000. – 320 с.
Скачать статью () в PDF