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

Цементы низкой водопотребности центрбежно-ударного помола и бетоны на их основе

Гаркави М.С., Артамонов А.В., Колодежная Е.В., Трошкина Е.А.

Получение цемента низкой водопотребности (ЦНВ) в центробежно-ударной мельнице сопровождается механоактивацией измельчаемых компонентов и  осуществлением механохимического взаимодействия с водным раствором пластификатора на основе поликарбоксилата. ЦНВ характеризуется узким зерновым составом, представлен однородными по форме частицами с большой концентрацией дефектов, на которых происходит «прививка» пластификатора.

Цементы низкой водопотребности центробежно-ударного помола различного вещественного состава   имеют активность от 42 МПа (ЦНВ50) до 73 МПа (ЦНВ100).

С использованием данных цементов получены тяжелые бетоны класса В60 и выше с расходом цемента на единицу прочности  до 8,3 кг/МПа и с маркой по морозостойкости более F500.

Бетон остается основным конструкционным строительным материалом, поэтому улучшение его свойств, совершенствование технологии изготовления, повышение экономичности возводимых из него конструкций имеет большое практическое значение. Возросшие требования к бетону привели к созданию новых видов высококачественных цементов, в частности цементов низкой водопотребности (ЦНВ). Эти цементы представляют собой новый класс гидравлических вяжущих, получаемых при совместном помоле портландцементного клинкера, гипсового камня и водоредуцирующей добавки. Вследствие взаимодействия в процессе измельчения минералов клинкера с водоредуцирующей добавкой получаемый цемент приобретает специфичные свойства, отличающие его от рядового портландцемента.

При изготовлении ЦНВ в основном используют шаровые мельницы, работающие по замкнутому циклу. Согласно [1] при получении ЦНВ в этих мельницах происходит «втирание» модификатора в поверхность клинкерных частиц, что и обуславливает уникальные свойства указанных цементов. Особенность этой технологии заключается в том, что сухие пластификаторы необходимо закрепить на поверхности клинкера, поэтому при этом способе изготовления ЦНВ очень сложно добиться стабильных строительно-технических показателей цемента.

Возможное решение данной проблемы состоит в использовании  жидких пластификаторов. Данный процесс можно осуществить в центробежно-ударных мельницах, которые широко применяются при измельчении различных материалов, в том числе и при производстве цементов [2].

Измельчение в этих мельницах основано на механическом разгоне твердых частиц и осуществляется путем сво­бодного удара частиц о неподвижную преграду, возможно взаимное соударение частиц (рисунок 1). Совокупность таких измельчающих воздей­ствий и наличие встроенного воздушного классификатора определяет узкий гранулометрический состав полученного продукта, одинаковую форму частиц с высокой дефектностью. За счет изменения скорости и направления движения воздушных потоков в зоне измельчения и в классификаторе можно в достаточно широких пределах регулировать размер частиц получаемого материала.

 

 Рисунок 1. Схема измельчения материала в центробежно-ударной мельнице

Отличительной особенностью центробежно-ударных мельниц является их высокая энергонапряженность (более 10 кВт/кг), что предопределяет осуществление в них процесса механохимической активации, т.е создание структурных микродефектов и активных поверхностных центров. Эти структурные дефекты и активные центры  характеризуются избыточной свободной энергией, следовательно, обладают высокой адсорбционной способностью. Поэтому именно на них и будет происходить закрепление модификатора, который вводится в мельницу в виде жидкости. При использовании жидкого пластификатора происходит его тонкое распыление в высокоскоростном потоке воздуха в камере помола (скорость движения порядка 100м/с), т.е. раствор пластификатора превращается в аэрозоль.

В процессе измельчения «доза» механической энергии, передаваемой материалу, достигает 102 кДж/г, что, согласно [3], переводит его в неравновесное состояние. При этом осуществляется «прививка» пластифицирующей добавки к поверхности клинкерных частиц, которая реализуется по механизму молекулярного наслаивания [4].

Для получения ВНВ в центробежно-ударной мельнице использован клинкер Магнитогорского цементно-огнеупорного завода. Характеристики клинкера представлены в таблицах 1и 2.

Таблица 1 – Химический состав клинкера

Массовая доля компонентов, %
SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO MgO SO2 CaOсв
19,75 5,86 4,35 64,28 4,97 0,21 0,18

 

Таблица 2 – Минеральный состав клинкера

Массовая доля компонентов, %

С3S

С2S

С3A

С4AF

62,5

9,4

8,2

13,2

 

При изготовлении ЦНВ-50 (соотношение клинкер:наполнитель = 50:50) в качестве наполнителя применялся кварцит. В качестве пластифицирующей добавки использован раствор поликарбоксилатного эфира (1% от массы минеральных компонентов).

Технологические свойства полученных цементов приведены в таблице 3, физико-механические – в таблице 4.

Таблица 3 – Технологические свойства цементов

Наименование цемента

Удельная

 поверхность, м2/кг

Водопотребность, %

Сроки схватывания, час-мин

начало

конец

Контрольный

353

29,9

4-55

6-00

ЦНВ-50 (кварцит)

335

27,3

4-10

5-20

ЦНВ-100

330

23,8

3-30

4-50

 

Таблица 4 – Физико-механические свойства цементов

Наименование цемента

В/Ц

раствора

Предел прочности, МПа

при изгибе

При сжатии

3 сут

28 сут

ТВО

3 сут

28 сут

ТВО

Контрольный

0,39

4,0

6,6

4,4

20,4

37,5

25,4

ЦНВ-50 (кварцит)

0,26

4,0

7,1

4,2

24,0

41,8

23,0

ЦНВ-100

0,25

7,7

8,6

5,6

52,0

73,2

54,1

Как следует из приведенных данных, ЦНВ-100 характеризуется высоким темпом твердения – уже через 3 суток его прочность достигает 70% от нормативной прочности, что объясняется именно низкой водопотребностью данного цемента. Последняя обусловлена ранее отмеченной особенностью закрепления пластифицирующей добавки на поверхности клинкерных частиц, в результате которой на них образуется монослой пластификатора нанометровой размерности.

ЦНВ-50 по своим свойствам практически не отличается от бездобавочного цемента. Следует отметить, что высокая водопотребность бездобвочного цемента (29,9%) связана с его узким гранулометрическим составом и изометричной формой его зерен, причем в составе цемента отсутствуют частицы крупнее 80 мкм.

На основе указанных цементов при одинаковом расходе (450 кг/м3) из равноподвижных бетонных смесей (П5, осадка конуса 22 см)  были изготовлены тяжелые бетоны, твердевшие как в нормальных условиях, так и при ТВО. Физико-механические и эксплуатационные показатели этих бетонов приведены в таблице 5.

Таблица 5 – Физико-механические и эксплуатационные показатели бетонов

Наименование цемента

В/Ц

Плотность бетона кг/м3

Прочность при сжатии, МПа

Марка

по морозостойкости

Расход цемента на единицу прочности, кг/МПа

норм. тв.

ТВО

Контрольный

0,51

2454

31,4

25,3

F200

14,3

ЦНВ-50

0,45

2440

55,1

44,1

F400

8,17

ЦНВ-100

0,38

2430

67,6

46,9

F600

6,65

 

Как следует из данных таблицы 5, бетоны на основе ЦНВ различного вещественного состава при прочих равных условиях характеризуются высокими физико-механическими свойствами и обладают значительно морозостойкостью. Использование данных цементов позволяет добиться высоких технико-экономических показателей – расход цемента в них на единицу достигаемой прочности сопоставим аналогичным показателем для самоуплотняющихся бетонов.

Таким образом, проведенные исследования свидетельствуют об эффективности применения центробежно-ударных мельниц для изготовления цементов низкой водопотребности различного вещественного состава с использованием жидких водоредуцирующих добавок. Эти мельницы входят в состав измельчительных комплексов (рисунок 2), которые целесообразно размещать на заводах железобетонных изделий не только для изготовления цементов низкой водопотребности, но и для производства композоционных товарных цементов.

 

Рисунок 2. Измельчительный комплекс КИ для изготовления цемента

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Юдович Б.Э., Зубехин С.А., Фаликман В.Р., Башлыков Н.Ф.Цемент низкой водопотребности: новые результаты и перспективы. // Бетон и железобетон – пути развития. Научные труды 2-ой Всероссийской (Международной) конференции по бетону и железобетону. -  М., 2005.-  Т. 3.  - С. 613 – 622.

2. Хрипачева И.С., Гаркави М.С., Артамонова А.В., Воронин К.М., Артамонов А.В. Цементы центробежно-дурного измельчения // Цемент и его применение. 2013. №4. С.106-109.

3. Бутягин П.Ю., Стрелецкий А.Н. Кинетика и энергетический баланс в механохимических превращениях // Физика твердого тела. 2005ю том 47. №5. С.830-836.

4. Малыгин А.А. Нанотехнология молекулярно наслаивания // Российские нанотехнологии. 2007. Том 2. № 3-4. С.87-100.

Сведения об авторах:

Гаркави Михаил Саулович, ЗАО «Урал-Омега», заместитель главного инженера по науке и инновациям, доктор технических наук, профессор. 455037, г. Магнитогорск, пр. Ленина, 89/7; (3519) 22-00-49; gms@uralomega.ru.

Артамонов Андрей Владимирович, ЗАО «Урал-Омега», главный технолог, кандидат технических наук. 455037, г. Магнитогорск, пр. Ленина, 89/7; (3519) 22-00-49; aav@uralomega.ru.

Колодежная Екатерина Владимировна, ЗАО «Урал-Омега», технолог, кандидат технических наук. 455037, г. Магнитогорск, пр. Ленина, 89/7; (3519) 22-00-49; kev@uralomega.ru.

Трошкина Евгения Анатольевна, Магнитогорский государственный технический университет, доцент кафедры строительных материалов и изделий, кандидат технических наук, доцент. 455000, г. Магнитогорск, пр. Ленина, 38; (3519) 29-85-89; skyjanny@mail.ru

 

 

Скачать статью () в PDF