Полный текст

Общеизвестно [1-3], что многие химико-технологические процессы, а также физико-механические характеристики тонкомолотых вяжущих веществ (в частности, такие как скорость спекания, водопотребность, схватывание и гидратация вяжущего, прочность и т.д.) зависят от процессов механоактивации в измельчаемом оборудовании. Диспергирование и механическая активация оказывают большое влияние на поверхностные свойства минералов и пород [4]: происходит заметное изменение физических свойств и химической активности вещества. Это объясняется не только увеличением удельной поверхности и уменьшением размеров частиц, но и изменением структуры, в частности аморфизацией поверхностных участков за счет протекания механохимических процессов. На сегодняшней день разработка и применение новых многокомпонентных вяжущих (МКВ) с минимальным содержанием портландцементного клинкера (ПЦК) являются актуальными [5, 6]. Использование таких вяжущих в местах с меньшей ответственностью и более низкими требованиями дает возможность сэкономить дорогостоящий компонент строительства - портландцемент. При этом также уменьшается эмиссия СО2 в атмосферу, имеется возможность избавления отвалов от скопившихся многотоннажных отходов, загрязняющих воздух, воду и почву в окрестностях предприятий. Исследование процессов механоактивации монокомпонентной системы является более простым. Увеличение количества компонентов в системе требует дополнительных усилий для воссоздания полной картины процесса помола и определения рычагов влияния на нее. Процессы механоактивации в МКВ-системах зависят не только от шаровой загрузки, скорости вращения барабана и среды измельчения, но и от соотношения, твердости, размеров зерен, размалываемости и других характеристик компонентов. В процессе механоактивации многокомпонентной системы в мельнице происходит быстрое размалывание более мягкого компонента, приводящее к дополнительным препятствиям при измельчении твердого. В научно-технической литературе есть достаточно большое количество публикаций по МКВ с точки зрений экологии, экономии топливно-энергетических и сырьевых ресурсов и др. Однако вопросы механоактивации МКВ остаются актуальными и по сей день. Целью данной работы является исследование влияния механоактивации на физико-механические свойства МКВ. Задачей является изучение процессов измельчения в шаровой мельнице, влияния длительности помола на физико-механические свойства МКВ и нахождение оптимальных параметров механоактивации. В исследованиях применялись физико-механические методы анализа. Тонкость помола оценивали по удельной поверхности с применением метода воздухопроницаемости и ситовым анализом в соответствии ГОСТ 310-76. Насыпную плотность тонкомолотых порошков в неуплотненном состоянии определяли по общеизвестной методике [7]. Определение степени белизны тонкомолотых порошков проводили оптическим методом. Для определения белизны использовали фотоэлектрический блескомер типа ФБ-2 [8]. Измерения проводили при геометрии освещения - наблюдения 45°/0°. Для определения белизны пробы порошки прессовали в таблетки диаметром 70 мм и высотой не менее 5 мм без каких-либо вмятин. Прочность тонкомолотых МКВ определяли в соответствии ГОСТ 310-76. В качестве жидкости затворения использовали раствор технической кальцинированной соды (ТКС) с плотностью ρ = 1,050 г/см3. В исследованиях в качестве компонентов МКВ-системы были использованы электротермофосфорный (ЭТФ) шлак, ПЦК и запечная пыль клинкерообжигательных печей (ЗПКП) [9]. Химический состав компонентов приведен в табл. 1. Таблица 1 Химический состав компонентов, % Table 1 Chemical composition of the components, % № Наименование SiO2 TiO2 Al2O3 Fe2O3 MgO MnO CaO R2O P2O5 SO3 п.п.п. 1 ЭТФ шлак 40,18 0,07 2,9 0,45 5,00 - 46,5 - 1,2 1,8 0,91 2 ПЦК 24,10 0,29 4,79 5,01 5,40 0,03 56,36 2,63 0,08 0,34 0,80 3 ЗПКП 16,46 0,20 3,07 2,89 3,02 0,03 42,06 3,15 0,06 0,26 28,76 В исследованиях использовали ЭТФ шлак ТОО «Казфосфат» («Новоджамбулский фосфорный завод» - НДФЗ) (Республика Казахстан), соответствующий ГОСТ 3476-74. В качестве ПЦК использовали продукт АО «Бекабадцемент», отвечающий требованиям O’zDSt 2801:2013. В качестве ЗПКП была использована проба, привезенная из АО «Бекабадцемент». Соотношение компонентов МКВ следующее (%): ЭТФ - 80,0; ПЦК - 12,5; ЗПКП - 7,5. Механоактивацию осуществляли с 30 до 90 мин с интервалом 30 мин в лабораторной шаровой мельнице МБЛ-1. Удельный расход энергии вычисляли с учетом производительности мельницы по формуле В = (Р · 60)/t, (1) где В - производительность мельницы, кг/ч; Р - масса материала, загруженного в мельницу, кг; t - продолжительность размола, мин. Э = (N/B) · 1000, (2) где Э - удельный расход энергии, кВт ч/т; N - полезная мощность, кВт. Результаты определения основных физических характеристик и энергетических затрат помола приведены в табл. 2. Таблица 2 Характеристики помола МКВ Table 2 Characteristics of grinding MCB Состав, % Время помола, мин Sуд, см2/г № 008, % ρ, г/см3 Белизна, % В, кг/ч Э, кВт·ч/т ЭТФ - 80,0 ПЦК - 12,5 ЗПКП - 7,5 30 2440 17,98 1,15 54,3 10 25 60 3450 4,80 1,02 55,1 5 50 90 4100 2,83 0,97 57,9 3,33 75,07 Увеличение длительности измельчения приводило к повышению удельной поверхности и уменьшению количества остатка на сите № 008 соответственно (см. табл. 2). Показатели насыпной плотности понижались с увеличением времени механоактивации и уменьшением количества остатка на сите № 008 (рис. 1). Степень дисперсности МКВ при 30-минутном измельчении не удовлетворяет требования ГОСТ 310.2-76, что говорит о необходимости увеличения длительности механоактивации в мельнице [9-11]. Увеличение продолжительности механоактивации повышала белизну МКВ, связанное с повышением дисперсности и получением более гладкой отражающей поверхности при прессовании в таблетки. Понижение насыпной плотности МКВ можно объяснить тем, что с увеличением продолжительности механоактивации размеры и форма зерен смеси становятся более одинаковыми, что приводит к повышению межзерновой пустотности в единице объема. Ранее была установлена возможность использования насыпной плотности в качестве дополнительного критерия при оценке тонкости помола вяжущих материалов [12, 13]. Как показали средние результаты 3-кратного просеивания в течение 10 мин (рис. 2), при меньшей продолжительности (30 мин) механоактивации остается большое количество остатка на ситах № 01 и 008. При увеличении времени механоактивации в 2 раза наблюдается значительное уменьшение остатка на этих ситах. Дальнейшее измельчение приводило только к уменьшению количества остатка на сите № 008. Тщательный анализ результатов просеивания показал, что при изучении гранулометрического состава тонкомолотых материалов и воспроизведении полной картины процессов механоактивации более 60 мин нужно использовать дополнительные более мелкие сита, чем № 008. Рис. 1. График изменения насыпной плотности МКВ от остатка на сите № 008 Fig. 1. Diagram of the bulk density of the MCB residue on sieve № 008 Рис. 2. График изменения количества полного остатка на ситах в зависимости от длительности механоактивации Fig. 2. Diagram of the full amount of residue on the sieve in dependence on the duration mechanoactivation В дальнейшем определяли прочность при сжатии механоактивированного МКВ в различных условиях твердения (табл. 3). Таблица 3 Прочностные характеристики МКВ Table 3 Strength characteristics of MCB Состав, % Sуд., см2/г Rсж, МПа ЕХ 28 сут ТВО ВХ 28 сут ЭТФ - 80,0 ПЦК - 12,5 ЗПКП - 7,5 2440 28,00 21,26 17,38 3450 29,48 30,97 25,60 4100 27,73 28,61 25,72 Примечание. ЕХ - естественное хранение; ТВО - тепловлажностная обработка; ВХ - водное хранение. Note. EX - natural storage; TBO - heat and moisture treatment; BX - water storage. С учетом того, что в составе содержится большое количество ЭТФ шлака и наблюдается более низкая щелочность среды рН в сравнении с портландцементом (рН = 11-12), было решено затворять МКВ раствором ТКС плотностью ρ = 1,050 г/см3. После 1 сут твердения образцы расформовали и хранили в трех условиях до момента испытания. Из-за грубой тонкости помола МКВ (30 мин) шлаковое составляющие не имеют достаточной поверхности для полного взаимодействия с щелочью, что приводит к низким прочностным показателям вяжущего при ТВО (21,26 МПа) и ВХ (17,38 МПа). Более тонкое измельчение продолжительностью 90 мин не приводило к повышению прочностных показателей независимо от условий твердения. Результаты ТВО МКВ помола в течение 60 и 90 мин превосходят прочностные характеристики образцов ЕХ и ВХ, что говорит о более положительном влиянии ТВО на процессы твердения. Разработанное вяжущее в присутствие влаги и тепла набирает большую прочность, о чем свидетельствуют анализ результатов исследований. С целью выявления причины низких прочностных показателей МКВ при ВХ по сравнению с ТВО был проведен химический анализ воды до погружения образцов и после 28 сут (табл. 4). Результаты химического анализа показали, что при погружении образцов происходит вымывание несвязанной ТКС и легкорастворимых веществ в водную среду из образцов. Таблица 4 Состав и свойства воды хранения Table 4 Composition and properties of water storage Показатели Вода исходная Вода после 28 сут Катионы, мг-экв / л Na+ 0,23 16,78 K+ - 3,82 Ca++ 2,10 0,30 Mg++ 1,00 0,20 Анионы, мг-экв / л Cl- 0,20 0,82 SO4- - 0,43 1,47 NO3- 0,05 0,31 OH- - - CO3- - 2,00 HCO3- 2,65 16,50 Другие определения Жесткость общая (мг-экв/л) 3,10 0,50 рН среды 8,10 9,88 SiO2 (мг/л) 6,00 26,00 Осадок без осадка с осадком Сухой остаток при выпаривании (мг/л) 180 1300 Na при пламенном фотометре (мг/л) 5 371 Результаты исследований воды 28-суточного возраста показали [14], что с повышением минерализации среды увеличивается содержание катионов Na+ и K+ и уменьшается количество Ca++ и Mg++ по сравнению с исходной. Твердение МКВ в воде приводит к понижению ее общей жесткости и повышению показателя рН среды. Атмосферный воздух насыщал воду хранения с СО2, вследствие чего повышалось содержание HCO3-. Увеличение содержания катионов Na+ и K+ в воде с МКВ связано и с составом и затворяемой жидкостью. Повышение концентрации SiO2 в воде связано с содержанием в составе ЗПКП и SiO2. Из условий твердений МКВ на основе ЭТФ наиболее эффективным оказались тепловлажностные условия, что было подтверждено и рекомендовано ранее для шлакопортландцементов [15]. Таким образом, результаты исследований показали взаимосвязь процессов механоактивации с физико-механическими характеристиками в МКВ-системе. Оптимальное время механоактивации МКВ в шаровой мельнице МБЛ-1 с точки зрения физико-механических характеристик, производительности и энергетических затрат составило 60 мин. При оценке тонкости помола вяжущих материалов можно использовать насыпную плотность в качестве дополнительного критерия. Из-за вымывания несвязанной ТКС и легкорастворимых веществ в водную среду происходит разрыхление структуры и понижение прочностных показателей образцов.

Об авторах

Аг. А Мухамедбаев

Ташкентский архитектурно-строительный институт

Список литературы

Статистика

Просмотры

Аннотация - 98

Ссылки

• Ссылки не определены.