Влияние механоактивационного воздействия на активность вяжущих веществ

Прокопец B. Влияние механоактивационного воздействия на активность вяжущих веществ // Строительные материалы. 2003 . №9. C. 28-29

Цемент поступает к потребителю в виде тонкомолотого порошка с высокой удельной поверхностью (1000?6000 см2/г), что обусловливает интенсивную конденсацию на цементных зернах парообразной влаги и газов из окружающего пространства. Известно [1], что несмотря на высокую удельную поверхность цементов, их гранулометрический состав далеко не равномерен и значительная часть зерен (40-50 %) имеет размеры более 50?60 мкм.

В процессе роста прочности цементного камня основную роль играет фракция размером 3?30 мкм [2]. Зерна цемента размером 40-60 мкм и более остаются негидратированными и лишь через полгода толщина слоя цементного камня достигает 15 мкм. Неполнота использования цемента усугубляется трудностями в достижении равномерного распределения воды между отдельными частицами вяжущего, которые вследствие адсорбции и сил молекулярного сцепления агрегируются во флокулы, препятствующие равномерному смачиванию. Увеличение удельной поверхности считается неэкономичным, поэтому рационально производить активацию вяжущего в процессе приготовления бетонной смеси [3].

С другой стороны, высокие скорости гидратации тонких фракций цемента связаны не только с их высокой удельной поверхностью, но и с наибольшей плотностью дислокаций и концентрацией дефектов на поверхности мелких частиц цемента [4]. С ростом дефектности частиц происходит переход в неравновесное состояние, что приводит к снижению химической устойчивости и интенсификации целого ряда физико-химических процессов, в том числе и гидратационной активности клинкерных минералов [5]. Этот факт объясняется тем, что в результате измельчения клинкера поверхность зерен содержит множество дефектов в виде субмикро- и микротрещин. Разрушение цементных зерен в начале гидратации происходит и развивается на дефектах, а также сопровождается движением дислокации. Скорость движения дислокации определяется физической и химической природой поверхности минералов клинкера, границами их фаз, содержанием в кристаллах примесных элементов. В свою очередь, рост трещины эквивалентен непрерывному распределению дислокаций в объеме твердой фазы. Клинкерные частицы с дефектами находятся в состоянии более высокой энергии взаимодействия при гидратации, чем совершенные по структуре минералы [6].

Теоретически и экспериментально установлено, что наиболее эффективным способом создания дефектности в частицах являются ударные воздействия при измельчении [7?8]. Учитывая разноречивость мнений в отношении механоактивационных способов увеличения гидратационной активности цементов, было решено проверить возможность увеличения их активности помолом в измельчителе ударного действия.

Экспериментальные исследования проводили на портландцементе М 400 Искитимского завода. Отобранная партия цемента была разделена на семь частей, которые до испытания хранились в условиях, соответствующих нормальному твердению бетонных образцов. Затем каждая проба цемента по мере потери активности подвергалась интенсивной обработке в измельчителе-активаторе УИС-2У производства ВНПФ ГИЛМ (Омск) [9]. В качестве контрольной пробы брали свежий цемент. Из полученных после измельчения проб цемента готовили раствор нормальной густоты, из которого формовали кубики размером 40x40 мм. Испытания на сжатие проводили после 28 сут нормального твердения. Результаты экспериментов приведены в табл. 1 и на рисунке.





Экспериментальные исследования минеральных вяжущих различной первоначальной активности позволили установить, что существует определенная зависимость между первоначальной активностью и последующим ростом активности этого вяжущего после механической активации, которую можно аппроксимировать полиномом вида

Амех.актив. = 53,108+10,568R-0,272R2, %

где Амех.актив. ? гидравлическая активность цемента по отношению к исходной после механической активации, %; R ? исходная гидравлическая активность вяжущего, МПа.

Анализ данных, приведенных на рисунке, показывает, что характер изменения исходной активности вяжущего является экстремальным. Наиболее механоактивируемыми являются вяжущие, первоначальная гидравлическая активность которых находится в интервале 8?30 МПа.

Сравнительно небольшое увеличение марочной прочности вяжущего, имеющего исходную гидравлическую активность 30 МПа, можно объяснить следующим. Данный способ механической активации (помол в измельчителе ударного действия) для цементов, потерявших значительную часть своей гидратационной активности, энергетически недостаточен. На это указывает и незначительный рост удельной поверхности по сравнению с наиболее механоактивируемыми вяжущими. Недостаточность механического воздействия обусловлена избытком карбонатных включений, образование которых произошло в результате длительного соприкосновения цемента с влагой воздушной среды.

В свою очередь, дополнительный помол высокомарочных цементов, с одной стороны, увеличивает реакционную способность поверхности частиц цемента, взаимодействующих с водой, а с другой, повышает экранирующую способность гидратных новообразований, которые, окружая частицы цемента, препятствуют доступу воды. Аналогичные выводы сделаны и в работе [10], где говорится, что при увеличении тонкости помола цемента с 2000 до 6000 см2/г для каждого уровня дисперсности степень гидратации по прочности в 1- -3-суточном возрасте растет, а в 28-суточном увеличивается лишь до определенных пределов, а затем даже снижается.

Таким образом, можно констатировать, что эффективность механической активации портландцемента зависит от его исходной активности. Наиболее механоактивируемыми вяжущими являются портландцементы, имеющие гидравлическую активность в интервале 8?30 МПа, что ранее известно не было.

Величина относительной усадки (табл. 1) у механоактивированных цементов на 20-30% ниже по сравнению с исходными. Это объясняется, прежде всего, способностью измельчителей дезинтеграторного типа выдавать более узкий спектр частиц по дисперсности, а также тем, что в процессе измельчения происходит перераспределение гидравлической активности между клинкерными частицами. Это способствует выравниванию в объеме вяжущего химического потенциала, что и обусловливает в процессе гидролиза и гидратации образование более плотной структуры цементного камня с малой усадкой.

Таблица 1

Сроки выдерживания проб цемента, сут

Гидравлическая активность вяжущего до и после активации, МПа
Изменение гидравлической активности вяжущего,

%

Удельная поверхность вяжущего до и после активации, см2/г

Изменение удельной поверхности, %

Относительная усадка до и после активации; -10-4мм

до

после

до

после

до

после

360

4

7,36

84

1610

2360

46,6

26

18,7

330

8

17,6

120

1930

2880

49,2

43

31,5

300

12

30,12

151

2230

3470

55,6

63

47,2

270

17

44,54

162

2340

3800

62,4

66

47,1

240

22,9

57,02

149

2650

4120

55,5

73

52,6

180

26,9

61,33

128

2880

4360

51,4

91

72,8

свежий

40

57,6

44

3080

4520

46,7

109

89,4

* контрольная проба цемента

Приведенные выше исследования позволили на практике создать условия максимальной эффективности механоактивационного воздействия на вяжущие системы. Так, при оптимальном режиме обработки золоцементного вяжущего в УИС-2У, можно заменить 40?50% цемента наполнителем без ощутимой потери вяжущим первоначальной активности.

Динамика прочности механоактивированного вяжущего показывает, что оно наряду с высокой ранней прочностью, обусловленной более интенсивной гидратацией клинкерных материалов, обладает еще и высокой поздней прочностью за счет активного участия золы в формировании структуры искусственного камня. Показатели прочности образцов-балочек золоцементного вяжущего, испытанных через 28 сут твердения, приведены в табл. 2.

Таблица 2

Состав смеси

№ пробы

Предел прочности, МПа

при изгибе

при сжатии

Цемент 100% (не активир.)

1

4,57

10,78

Цемент 60% + Зола 40% (не активир.)

2

3

4

3,21

3,88

4,19

8,03

6,56

6,4

Цемент 60% + Зола 40% (активир.)

5

6

7

5,9

6,08

5,22

41,38

44,25

40,5

Исследования, выполненные на кислых золах ТЭС Омска, позволили рекомендовать основные параметры обработки золоцементных смесей, исходя из условия максимальной прочности получаемого вяжущего и минимизации затрат энергии, установить численные значения основных физико-механических свойств получаемого вяжущего, подтверждающие эффективность процесса механоактивации в измельчителе-активаторе производства СибАДИ-ВНПФ ГИЛМ (Омск). Кроме того, убедительно доказано, что применение механоактивации в технологии вяжущих материалов позволяет получать цементы со специальными свойствами и открывает большие перспективы для получения качественных вяжущих с применением таких невостребованных промышленных отходов, какими являются кислые золы-уноса ТЭС.

Список литературы

1. Шестоперов С.В. Контроль качества бетона. М.: Высшая школа, 1981.244 с.

2. Волженский А.В., Попов Л.Н. Смешанные цементы повторного помола и бетоны на их основе. М.: Госстройиздат. 1961. 107 с.

3. Веригин Ю.А., Соколов В.В. Многократная обработка вяжущих в активаторах-смесителях непрерывного действия // Строит. материалы. 1971. № 1.С. 18.

4. Сычев М.М. Формирование прочности // ЖПХ. 1981, № 9. Т. 54. С. 36-43.

5. Молчанов В.И., Селезнева О.Г., Жирное Е.Н. Активация минералов при измельчении. М.: Недра. 1988. 208 с.

6. Комохов П.Г. Механико-энергетические аспекты процессов гидратации, твердения и долговечности цементного камня // Цемент. 1987. № 2. С. 20-22.

7. Кузнецова Т.В., Сулименко Л.М. Механоактивация портландцементных сырьевых смесей // Цемент. 1985. №4. С. 20-21.

8. Сулименко Л.М., Майснер Ш.Н. Влияние механоактивации на технологические свойства портландцементных сырьевых смесей // Изв. вузов. Химия и химическая технология. 1986 (29), № 1. С. 80-84.

9. Прокопец B.C. Получение минерального порошка из местного сырья на АБЗ. // Наука и техника в дорожной отрасли. 1997. № 2. С. 22-23.

10. Кравченко И.В., Кузнецова Т.В., Власова М. Т., Юдович Б.Э. Химия и технология специальных цементов / Под общ. ред. И.В. Кравченко. М.: Стройиздат. 1979. 208 с.