Содержание
|
Влияние современных технологий производства цемента с интенсификаторами помола на эффективность действия химических добавок
Е.А. ЯНЮК, инженер-технолог, группа предприятий «СКТ-Стандарт», г. Гомель, Беларусь
Ключевые слова: интенсификаторы помола цемента, химические добавки для бетона, экономия цемента, совершенствование подбора добавок
Keywords: intensifiers of cement grinding, chemical additives for concrete, saving of cement, improving the selection of additives
В статье обобщены данные о применении интенсификаторов помола в производстве цемента, а также приведены сведения о добавках для бетона, помогающих изменить эксплуатационные свойства бетонных смесей. Изучены типы и виды химических добавок. Исследованы побочные действия интенсификаторов помола цемента на химические добавки для бетона. Экономии цемента, а также повышению качества бетона будут способствовать правильное совмещение добавок с учетом их влияния на свойства цемента и бетонной смеси. Кроме того, в статье излагаются некоторые аспекты совершенствования подбора добавок для бетона, учитывая уже входящие в состав цемента добавки.
В настоящее время на строительном рынке представлено большое количество различных видов технологических добавок для цементов и бетонов, выпускаемых как зарубежными производителями, так и отечественными предприятиями. Наиболее востребованы продукты на основе лигносульфонатов технических (ЛСТ), продукты конденсации нафталин-, меламинсульфокислоты и формальдегида, продукты на основе поликарбоксилатов (ПК), а также продукты класса соединений амины и гликоли. Однако наличие большого выбора добавок не всегда дает возможность получения бетона с заданными характеристиками. Речь идет не только о влиянии добавок на свойства бетона, но и о совместимости данных добавок с уже имеющимися в составе цемента интенсификаторами помола.
Помимо вышеизложенного, значительное влияние оказывает технология производства цемента, которая и определяет качественные характеристики бетона.
Виды интенсификаторов помола и эффект введения их в состав цемента
Наиболее распространенным помольным оборудованием сегодня являются шаровые мельницы открытого и замкнутого цикла. Эффективность последних значительно выше за счет прохождения цементом нескольких стадий сепарации, позволяющей разделить частицы на фракции, более мелкую отправив в конец процесса, а крупную – обратно на домол. Учитывая такую особенность технологического процесса, применение замкнутого цикла целесообразно еще и потому, что измельчаемый материал, как правило, состоит из компонентов различной размолоспособности.
Размалываемость цементного клинкера зависит от его минералогического состава, т.к. отдельные клинкерные минералы имеют различную микротвердость и хрупкость. При открытом цикле помола легкоразмалываемые компоненты переизмельчаются, а в замкнутом они размалываются до одинаковой тонкости. Своевременное удаление из мельницы годного по дисперсности продукта предотвращает его переизмельчение, на которое затрачивается большое количество энергии. В связи с тем что доменный шлак размалывается труднее, чем клинкер, из-за большего содержания в нем оксида железа, придающего ему пластичность, помол шлакопортландцемента часто проводят по открытому циклу во избежание сегрегации размалываемых частиц клинкера и шлака [1].
В мельницу для интенсификации помола через специальное устройство впрыскивается интенсификатор помола, который покрывает вновь образующиеся поверхности «пленкой», что предотвращает их агрегирование. Кроме того, он проникает в микротрещины материала, понижая тем самым его сопротивляемость к размолу. Цемент приобретает большую текучесть, что положительно сказывается на скорости его перемещения. В результате производительность мельницы увеличивается на 20-30% с соответствующим снижением удельного расхода электроэнергии. На рис. 1 представлена блок-схема эффективности использования интенсификаторов при помоле цемента.
Рис. 1. Эффективность использования интенсификаторов при помоле цемента
Цемент без интенсификатора помола на ранних стадиях твердения имеет тонковолокнистое строение продуктов гидратации. На данном этапе волокнистое строение имеют кристаллы эттрингита, вокруг которых формируется гидросиликатный гель. К 7-м суткам наблюдается сращивание отдельных кристаллов и формирование структурированной сетки. В возрасте 28 суток продукты гидратации представляют собой как отдельные пластинчатые кристаллы, так и срощенные в кристаллиты образования с высокой микропористостью.
Для цемента с интенсификатором помола уже в начальные сроки твердения отмечается повышенное количество новообразований в виде гелеобразных продуктов, пророщенных пластинчатыми кристаллами портландита и, возможно, моносульфоалюмината кальция. С возрастом продуктов гидратации становится больше, но они не имеют четкой кристаллизации и представлены «оплавленными» новообразованиями довольно плотной структуры. Структура цементного камня с добавками за счет тесного переслоения части кристаллов эттрингита, портландита малых размеров с гелеобразными плотными гидросиликатными фазами отличается более однородным строением, что положительно влияет на прочность, особенно в ранние сроки твердения.
В многочисленных работах по влиянию поверхностно-активных веществ (ПАВ) на процессы гидратации доказано, что в присутствии малых количеств ПАВ изменяется степень пересыщения за счет различного влияния на процесс растворения исходной и возникновения новой фазы. Изменения состава жидкой фазы в системе «цемент – вода» определяют в дальнейшем темпы и механизм гидратации многокомпонентного вяжущего.
В первоначальный период присутствие некоторых анионактивных ПАВ способствует увеличению количества переходящих в раствор ионов Са2+, Al3+ и SO42-. Такое пересыщение воды затворения ионами определяет высокую скорость гидратации клинкерных минералов и сокращает период структурообразования, уменьшается растворимость эттрингита, что, соответственно, увеличивает его долю в кристаллической фазе. С другой стороны, присутствие катионактивных ПАВ приводит к накоплению избыточного количества ионов ОН-, являющихся активаторами жидкой фазы, т.е. ускорителями гидратации [2]. Классификация интенсификаторов помола представлена в табл. 1.
Таблица 1. Классификация интенсификаторов помола
Цементная промышленность характеризуется значительной потребностью в электроэнергии около 110 кВт∙ч на тонну цемента [1], причем 40 % из них потребляется на процесс помола цемента [2].
Известно, что при длительном помоле для получения тонкомолотых цементов удельная поверхность повышается до определенного момента, после чего за счет агломерации частиц, налипания их на поверхность мелющих шаров и бронефутеровки мельницы она начинает снижаться [3].
Шаровые мельницы все еще составляют 60 % парка всех мельниц на цементных заводах [4]. К числу факторов, за счет изменения которых можно сократить расход электроэнергии при заданных конструктивно-технологических характеристиках мельничных агрегатов, следует отнести применение технологических добавок химических веществ различной природы. Использование добавок позволяет при заданных параметрах производительности мельницы повысить тонину помола и прочность, как в начальные, так и поздние сроки твердения, или при неизменных характеристиках цемента повысить производительность мельницы на 10–20 % и тем самым снизить удельные энергозатраты на помол.
Механизм действия интенсификаторов помола основан на адсорбции молекул ПАВ на поверхности цементных частиц, что позволяет:
● снять электростатические заряды с поверхности частиц, что предотвращает агрегирование мелких частиц (coating), устраняет проблему налипания материала на шары и бронефутеровку мельниц;
● понизить твердость измельчаемых продуктов (эффект П.А. Ребиндера), тем самым снизить энергозатраты на помол;
● изменить коэффициент сцепления (трения) между мелющими телами, бронефутеровкой и материалом, тем самым повысить силу удара и истирающего воздействия;
● повысить скорость продвижения материала по мельнице и циркуляцию в поперечном сечении.
Технико-технологическая эффективность применения интенсификаторов помола:
– повышение производительности помольных агрегатов при заданной тонкости помола, что позволяет снизить удельные энергозатраты на помол на 2–10 кВт·ч/т цемента, затраты на обслуживание процесса помола;
– повышение гарантированной прочности при повышении тонкости помола при заданной производительности мельницы;
– изменение гранулометрического состава цемента, что может способствовать изменению таких свойств как водоотделение, сроки схватывания, ускорение набора ранней прочности;
– повышение эффективности работы сепараторов в замкнутом цикле из-за снижения доли агрегированных частиц;
– повышение текучести цемента. Особенно этот показатель важен при транспортировке цемента по аэрожелобам, выгрузке цемента из силосов;
– повышение насыпной плотности цемента на 10–12 %, что позволяет увеличить запас емкостей для хранения цемента.
Постановка задачи разработки классификации была обоснована необходимостью выявления и обоснования признаков, характеризующих группы технологических добавок при помоле цемента, с целью прогнозирования их свойств и разработки новых эффективных составов.
В научной литературе выдвинуто две версии механизма действия интенсификаторов помола:
1) эффект Ребиндера – снижение прочности измельчаемых материалов;
2) снятие электростатических зарядов с поверхности измельчаемых частиц, которые образуются в результате разрыва валентных связей кристаллических клинкерных минералов, трибоэлектри-
зации и пр.
В качестве основы реализации классификации технологических добавок был выбран алгоритм на основе разделяющих функций (рис. 1). При реализации алгоритма деления использовали сведения из технической и патентной литературы, позволяющие выявить классификационные признаки и распределить все применяемые или заявляемые в патентах составы в стройной иерархичес-
кой системе.
Рис. 1. Классификация технологических добавок при помоле
По функциональному назначению. Технологические добавки разделены на монофункциональные и полифункциональные. К монофункциональным отнесены интенсификаторы помола, которые способствуют повышению производительности мельниц при заданных характеристиках цемента или при той же производительности мельниц повышающих тонкость помола цемента и тем самым его прочность. Полифункциональные добавки одновременно способны повысить эффективность процесса помола и повлиять на физико-механические свойства цемента. В состав полифункциональных добавок входят интенсификаторы помола (grinding aids) и добавки, которые способны улучшить строительно-эксплуатационные свойства цемента.
Интенсификаторы помола. По происхождению интенсифицирующие добавки разделены на продукты химического синтеза и отходы промышленности.
По составу продукты химического синтеза разделены на две группы: однокомпонентные и многокомпонентные.
По классам химических соединений большинство органических соединений, предлагаемых в качестве интенсификаторов помола, относятся к аминам и гликолям.
Амины принадлежат к производным аммиака, в котором атомы водорода замещены углеводородными остатками [5].
В аминах у атома азота имеется неподеленная электронная пара, которая определяет дипольный момент связи С–N (
1,5·10–30 Кл·м или 0,45 D, где D (дебай) – единица дипольного момента, равная 3,34·10–30 Кл·м). Электроводородные свойства аминов характеризуются энергиями ионизации (ЭИ), равными для: C2H5NH2 – 8,9; (C2H5)2NH – 8,0; (C2H5)3NH – 7,5 эВ.
Амины легко реагируют с ионами различных металлов с образованием донорно-акцепторных комплексов, в которых амины выступают в качестве донора (лиганда с двумя электронами):
Гликоли относятся к группе гидроксилпроизводных углеводородов со связью C (sp3)-ОН-алканов, насыщенных одноатомных спиртов с двумя гидроксильными группами –ОН. Алканы являются полярными соединениями. Они содержат в молекуле две полярные связи: Сδ+–Оδ– и Оδ– ––Нδ+. Диполи связей С–О и О–Н направлены в сторону атома кислорода. Суммарный дипольный момент составляет 5,3–6,0·10–30 Кл·м или 1,6–1,8 D. Неподеленные электронные пары придают алканам слабые электродонорные свойства, которые характеризуются энергией ионизации (ЭИ), эВ [5].
Добавки в цемент используются для регулирования основных строительно-технических свойств и придания специальных качеств бетонe и цементному раствору. Изменяя состав материала с помощью добавок, можно: улучшить пластичность и удобоукладываемость, увеличить плотность, повысить влагонепроницаемость, ускорить или замедлить схватывание, уменьшить усадку и т.д.
Разновидности добавок для цемента
Добавки в цемент классифицируются в соответствии с нормативным документом – ГОСТ 24640-91. «Добавки для цементов». При этом каждый отдельный вид присадки используется для изменения или улучшения определенных свойств строительного материала.
ГОСТ 24640-91 идентифицирует следующие виды добавок:
- Пластифицирующие. Вводя в бетон или раствор материал этого вида можно значительно увеличить удобоукладываемость и пластичность бетонов без внесения дополнительных порций заверителя (максимально оптимизировать «водоцементное» соотношение). Кроме того пластификаторы увеличивают прочность и морозостойкость конструкций, а также позволяют сэкономить до 15% цемента. Популярные пластифицирующие добавки к цементу: Полипаст СП-1 (С-3), «Лигнопан Б-2», «Форт УП-4», а также широко известные в нашем быту – жидкое мыло, моющее средство «Фейри».
- Вовлекатели воздуха. Добавлением в бетонный раствор воздухововлекающих присадок достигается пористость структуры бетонов, что в свою очередь увеличивает морозостойкость сооружения. Противоморозный эффект достигается следующим образом – воздушные поры дают возможность замерзающей воде расширяться в пространство пор, а не в толщу бетона. Так как передозировка данной присадки ведет к значительному снижению прочности конструкции, применять вовлекатель воздуха следует строго по прилагаемой инструкции. Виды воздухововлекающих присадок используемых строителями России: «Micro Air 125», «Микропор 1», «ТЕХНОНИКОЛЬ Aero С», «Аэро 200».
- Ускорители схватывания смеси. Применяются в двух случаях – при бетонных работах в условиях пониженной температуры воздуха и для компенсации вредного влияния других присадок, тормозящих схватывание. Применение ускорителей твердения позволяет проводить послойную заливку и уменьшает время заливки. Популярные ускорители твердения: «Реламикс М2», «Энерджи Адмикс», «Хард Пласт», «Бисил ФС».
- Замедлители схватывания. Используются бетонными заводами и строителями для увеличения временного интервала «живучести» готового бетона или раствора. Строительный материал с добавлением замедлителей схватывания можно транспортировать на большие расстояния, а также производить поэтапную заливку в соответствии с некоторыми видами строительных технологий. Популярные марки замедлителей схватывания: «Линамикс П-120», «Поташ», «Бисил Ретардер», винная кислота, «Неолас-П(1)».
- Уплотняющие добавки. Это эффективные добавки в цемент для гидроизоляции бетонных сооружений эксплуатирующийся в условиях повышенной влажности: резервуаров для хранения воды, тоннелей метрополитенов, фундаментов, погребов, подвалов и гидротехнических конструкций. Кроме того уплотнители увеличивают прочность и коэффициент водонепроницаемости сооружений. Популярные добавки в цемент для водонепроницаемости и уплотнения бетонных растворов: «Д-5», «SIKAPAVER AE-1», «Микрокремнезем МК – 85», «Кальматрон».
- Ингибиторы коррозии. Применяются для эффективной защиты стальной арматуры от корродирования и последующего разрушения. Технический смысл действия присадки заключается в образовании на поверхности арматурных стержней защитной оксидной пленки. Марки ингибиторов коррозии: «MasterProtect 8000 Cl», «Sika® FerroGard®-901», нитрат кальция.
- Противоморозные добавки. В соответствии с названием позволяют вести бетонные работы в зимний период, при температуре окружающего воздуха до 15-20 градусов Цельсия. Суть действия противоморозной добавки заключается в ускорении вывода затворителя из толщи материала. Популярные противоморозные добавки: «АрмМикс НОРДПЛАСТ М», формиат натрия, «Ультралит», «Фриз», «Ирбис-ПрМ».
- Полимерные добавки. Цемент с полимерными добавками используется для приготовления бетонов повышенной: плотности, водонепроницаемости и морозостойкости и прочности «на изгиб». Механизм действия полимерных присадок заключается в образовании на поверхности частичек компонентов (цемента, щебня и песка) тонкой полимерной пленки, которая в свою очередь способствует прочному «склеиванию» частичек в монолитный конгломерат. В числе применяемых полимерных добавок: смола ДЭГ-1 и ТЭГ-1, полиаминная смола С-89, «Mowilith Pulver», Метилцеллюлоза водорастворимая, «Tylose».
- Красящие добавки в цемент. В соответствии со своим названием применяются при изготовлении цветных бетонных растворов используемых при производстве: декоративных конструкций, тротуарной плитки, скульптурных композиций, ваз, кашпо и пр. Марки: «Углерод технический П-803», «Двуокись титана DuPont R-706», «КЖО-50», «FEPREN Y-710», «BROWN 686».
Заключение
Непрофессиональные застройщики часто задаются вопросом: какой лучше цемент с добавками или без? Ответом на этот вопрос будет наличие или отсутствие специальных требований к изготавливаемой конструкции или технологии заливки.
При этом цемент и бетон с добавками априори будет стоить значительно дороже, чем цемент и бетон без добавок. Как уже было сказано, каждый тип добавки выполняет конкретную функцию (увеличивает прочность или водонепроницаемость, регулирует подвижность смеси, повышает устойчивость е низким температурам и т.п.).
Поэтому если к конструкции и технологии строительства не предъявляются специальные требования, приобретать цемент с добавками экономически невыгодно и бессмысленно.