ГОРИЗОНТДезинтегратор
Эффект механоактивации компонентов бетонной смеси заключается в переходе пассивной (неактивной) поверхности как вяжущих, так и инертных материалов к химически активному состоянию, которое выражается в повышенной способности к реакциям в ходе последующих технологических операций.
Увеличение активности материалов достигается в результате измельчения, диспергации (помола) в специальных энергонапряженных агрегатах измельчения (мельницах).
Условно можно выделить несколько основных способов измельчения материалов с использованием энергонапряженных агрегатов тонкого помола — измельчение методом раздавливания, истирания и раскалывания (метод свободного удара), а также совокупность перечисленных методов. Типичный образец агрегата измельчения, работающего по методу истирания — шаровая мельница. Метод раскалывания свободным ударом используется в измельчителях-дезинтеграторах.
Разрушение (измельчение) материала методом свободного удара заключается в воздействии на обрабатываемый материал механических ударных элементов (бил) движущихся с высокой окружной скоростью. Данная модель разрушения материалов позволяет достигать гранулометрии повышенной монодисперсности.
Для материала измельченного по методу свободного удара характерна осколочная форма частиц, большое количество сколов, трещин и других положительных дефектов, обеспечивающих условия, когда дезинтегрированные смеси с образовавшейся новой высокоразвитой контактной поверхностью, легче вступают в твердофазные реакции с другими материалами. Причем скорость протекания этих реакций, в большинстве случаев, тем быстрее и полнее, чем больше поверхность участвующего в процессе вещества.
Для тонкого помола песка и домола цемента в производстве бетона (пенобетона, полистиролбетона) предпочтительней использование агрегатов измельчения по методу свободного удара.
Увеличение удельной поверхности методом свободного удара как инертных, так и вяжущих компонентов бетонной смеси обуславливает увеличение их активности (реакционной способности), и как следствие получение бетонов, имеющих повышенную прочность, особенно в первые сутки твердения.
Так, измельчение песка методом свободного удара позволяет не только повысить его удельную поверхность, получить требуемый гранулометрический состав, но и улучшить качество поверхности частиц путем удаления, разрушения поверхностных неактивных пленок. Создание вновь образованной улучшенной (без загрязнений) поверхности зерен песка повышает его реакционную способность в различных процессах. Причем, неоднократное измельчение одного и того же песка позволяет не только удалить загрязняющие пленки, но и придать песку вяжущие свойства.
Увеличение удельной поверхности цемента, его реакционной способности (активности) оказывает значительное влияние на формирование структуры бетона, скорости твердения и его прочностные характеристики. Использование активированного цемента позволяет сформировать более плотную и однородную структуру бетона, что позволяет получить резкий прирост однодневной прочности и увеличение ее по истечении 28 суток твердения.
Активированное состояние как инертных, так и вяжущих составляющих бетонной смеси, достигаемое методом свободного удара, довольно устойчивое. Однако, образовавшиеся энергоактивные поверхности, без дальнейшего участия в технологических процессах, с течением времени могут потерять свой потенциал механохимической активации. Это объясняется тем, что тонкомолотые, и особенно высокодисперсные, материалы в большей степени подвержены эффектам агрегатирования (флокулообразования).
Из практики применения тонкомолотых песков, прошедших обработку методом свободного удара, имеются следующие наблюдения: за месяц активированное состояние песка стабильно устойчивое, незначительное снижение (~ на 10 %) наблюдается по истечении двух месяцев. Песок полностью теряет свою преобразованную реакционную способность (активность) по прошествии шести месяцев.
Значительно быстрее происходит процесс флокулообразования зерен вяжущего, а, следовательно, снижение и в конечном итоге потеря его реакционной способности. Причем, чем более качественно активировался цемент, тем он более склонен к агрегатированию, способствующему уменьшению «активной» удельной поверхности за счет интенсивной конденсации на цементных зернах парообразной влаги и газов из окружающей среды. Образование флокул, способных удерживать внутри себя воду, делая ее неподвижной, препятствует дальнейшему равномерному смачиванию поверхности цемента приводящей к неполноте использования всех его потенциальных возможностей. Как следствие, от 30 до 70% цементного зерна не получает возможности нормально прогидратировать, соответственно 30-70 % цемента не только не участвует в процессе твердения цементного камня, но, играя роль мелких, пылевидных включений, ослабляет прочность получаемого бетона.
Именно из-за процессов флокулообразования целесообразно размещение механизмов агрегатов помола в непосредственной близости к технологическим линиям производства товарных бетонов, а оптимальным вариантом может быть включение их в технологический поток. Например, установка между складом цемента и весовым дозатором цемента позволит без снижения производительности основного смесительного оборудования производить поточную обработку (помол) материала.
Особенно актуальна механоактивация компонентов в производстве пенобетона, полистиролбетона, когда качество и стабильность характеристик составляющих смеси имеет особенно важное значение.
Так, при производстве пенобетона, полистиролбетона средней плотности 800 кг/м3 и ниже необходимо применять либо тонкий (Мк от 0,7 до 1,0), либо очень тонкий (Мк до 0,7) песок. Это связано с необходимостью сокращения толщины межпоровых стенок, приближая сферические тела, как можно ближе друг к другу. Песок (зола, шлак) повышенного модуля крупности в межпоровой перегородке играет роль не компонента материала перегородки, а является включением, окруженным цементным зерном. Такие включения увеличивают толщину межпоровой перегородки, что соответственно увеличивает и объемный вес материала, так как такие крупные включения не являются элементами силового каркаса, межпоровых перегородок, они не увеличивают прочность цементно-песчаной конструкции, а напротив ослабляют ее.
В повышении прочности межпоровых перегородок теплоэффективных строительных материалов основную роль играет активность цемента. Главным фактором, влияющим на активность цемента, являются показатели его удельной поверхности. Чем выше удельная поверхность цемента, тем выше его активность.
В производстве пенобетона либо полистиролбетона наиболее экономически выгодно легкое доизмельчение цемента. Так, увеличение удельной поверхности цемента в агрегатах измельчения по методу свободного удара за один прогон на 3% дает увеличение его активности на 5%, что дает увеличение прочности в первые сутки нормального твердения на 45% от прочности контрольных образцов.
Применение активированных компонентов смеси в производстве пенобетона и полистиролбетона позволяет получать материал стабильно высокого качества.
Наиболее впечатляющие результаты увеличения прочности межпоровых стенок в пенобетоне и полистиролбетоне низких плотностей (менее 800 кг/м3) достигаются при организации совместного помола цемента и песка. При этом агрегат измельчения выполняет свою прямую функцию, как агрегата измельчителя, а также и функцию смесителя сыпучих материалов.
Применение метода совместного помола сухих составляющих пенобетона и полистиролбетона позволяет получить совершенно однородную цементно-песчаную смесь на основе активированного цемента и песка заданного гранулометрического состава. Как результат - увеличение прочности материала как в первые сутки твердения, так и на 28 сутки, сокращение времени выдержки материала в формах, снижение расхода цемента и возможность применения цемента невысокого качества.
Так как все процессы агрегатирования тонкомолотых частиц начинаются преимущественно на поверхности, то существует возможность воспрепятствовать и (или) уменьшить образование этих процессов.
Проверенным решением выше поставленной задачи, способствующем более полному использованию потенциала тонкомолотых частиц, является методика тонкого помола с последующей виброактивацией материалов на установках турбулентного типа, оснащенных высокочастотными бортовыми вибраторами.
Механизм действия виброактивации цементно-песчаных смесей направлен на увеличение удельной поверхности вяжущего, изменение поверхностной структуры твердых частиц и ускорение взаимодействия компонентов системы «цемент-вода-песок».
При виброактивации цементно-песчаная смесь подвергается одновременно двум воздействиям: турбулентному перемешиванию и высокочастотной вибрации.
В процессе перемешивания обеспечивается равномерное распределение исходных материалов, удаление с зерен вяжущего и заполнителей неактивных поверхностных пленок, исключение комкообразования и пустот, а также предупреждение измельчения зерен заполнителя. Отдельные компоненты системы превращаются в однородную массу.
Процесс вибрации способствует равномерному распределению всех компонентов системы и временно устраняет процесс флокулообразования.
Цемент же приобретает большую активность и дополнительно измельчается вследствие диспергирующего действия соударения зерен заполнителя, что катализирует протекание физико-химических процессов в системе «цемент-вода-песок».
Заметим, что дополнительное измельчение цемента в процессе помола, виброактивации вызывает изменение в системе активных составляющих цементного клинкера, и в первую очередь повышенный выход трехкальциевого алюмината (С3А), отвечающего за набор прочности в начальный период гидратации.
Именно из-за быстрой гидратации трехкальциевого алюмината для замедления сроков схватывания при производстве цемента вводится сульфат кальция, чаще всего в виде двуводного гипса. Без добавления гипса получился бы мгновенно схватывающийся цемент.
Трехкальциевый гидроалюминат при взаимодействии с гипсом образует комплексное соединение гидросульфоалюминат кальция (эттрингит). Кристаллы эттрингита, обволакивая зерна цемента, затрудняют доступ воды и тем самым замедляют процессы гидратации.
Поэтому, проведение домола, виброактивации цемента в обязательном порядке должно сопровождаться введением строго определенного количества двуводного гипса, позволяющего регулировать сроки схватывания и значительно повысить прочность затвердевшего камня, особенно в начальные сроки набора прочности.
Также вибрационное воздействие обеспечивает более высокую связность системы, что имеет положительное влияние на физико-механические свойства бетонов и растворов, а также на сохранность этих свойств при транспортировании, укладке и дальнейшем вибрационном уплотнении.
Положительное влияние механизма виброактивации в числовых значениях выражается в следующем.
Приведем результаты лабораторных испытаний нескольких растворных смесей, приготовленных в турбосмесителе-виброактиваторе.
Составляющие материалы смеси:
Были приготовлены четыре состава:
В процессе приготовления смесей и в начальный период твердения отмечено, что цементно-песчаная смесь, подвергнутая виброактивации, обладает большим тепловыделением в сравнение с контрольным составом. Этот процесс объясняется увеличением удельной поверхности зерен вяжущего и, как следствие, алюминатной составляющей, обладающей самой высокой экзотермией по сравнению с остальными компонентами цементного клинкера.
Из смесей каждого состава были заформованы образцы-кубы раствора, размером 70,7х70,7х70,7 мм и выдержаны при температуре 20°С и относительной влажности у поверхности образцов 95%. Испытания по прочности на сжатие в возрасте 1 и 28 суток проводились по ГОСТ 5802-86 «Растворы строительные. Методы испытаний».
Результаты испытаний приведены в таблице 1.
Наименование смеси, состава | Прочность на сжатие в возрасте 1 суток, кгс/см2 | Приращение прочности по сравнению с контрольным составом в возрасте 1 суток, % | Прочность на сжатие в возрасте 28 суток, кгс/см2 | Приращение прочности по сравнению с контрольным составом в возрасте 28 суток, % |
|---|---|---|---|---|
| Контрольный состав (цемент, песок) | 101 | - | 252 | - |
| Основной состав № 1 (контрольный состав, подвергнутый виброактивации) | 125 | +24 % | 312 | +24 % |
| Основной состав № 2 (контрольный состав, подвергнутый виброактивации) с добавкой 0,3 % двуводного гипса от массы цемента | 133 | +32 % | 317 | +26 % |
| Основной состав № 3 (контрольный состав, подвергнутый виброактивации) с добавкой 3 % двуводного гипса от массы цемента | 169 | +67 % | 344 | +37 % |
На основании результатов испытаний установлено, что использование процесса виброактивации цементно-песчаных смесей позволит:
Таким образом, два вышерассмотренных способа повышения активности составляющих материалов бетонной и растворной смеси, способствуют ускорению процессов твердения, увеличению суточной и проектной прочности без увеличения расхода цемента, получению готового продукта высокого качества с улучшенными физико-механическими характеристиками.
Наибольший положительный эффект активации достигается при совместном использовании в одном технологическом потоке заводами-изготовителями ЖБИ двух вышеописанных способов.
Активация вяжущих и инертных составляющих бетонной (растворной) смеси методом свободного удара и последующая виброактивация в турбосмесителе-виброактиваторе позволяет экономить дорогостоящее вяжущее без снижения прочностных характеристик готовых изделий и увеличения их себестоимости, повысить морозостойкость, улучшить сопротивляемость всем видам износа!
Автор статьи серии «Строительная лоция»
инженер — технолог МП «ТЕХПРИБОР»
Коренюгина Н.В.
