Строительніе статьи 1996

К вопросу гидромеханохимической активации цемента при производстве бетона

Развитие строительной индуст­рии в условиях роста цен на сырь­евые материалы требует более пол ного использования потенциальных возможностей последних. Поэтому проблема совершенствования каче­ства и полного использования вя­жущих свойств цемента как наибо­лее энергоемкого и дорогостоящего компонента бетона требует поиска новых путей интенсификации про­цесса его твердения, обеспечиваю­щих снижение энергетических и топливных затрат на изготовление строительной продукции.

Одним из эффективных техноло­гических приемов повышения каче­ства цемента, сокращения времени достижения цементными системами нормативной прочности и обеспе­чения более полного использования физико-химической энергии вяжу­щего в сроки, лимитируемые вво­дом изделия в эксплуатацию, явля­ются увеличение дисперсности и оптимизация его гранулометриче­ского состава.

Повышение темпа твердения це­ментных систем на основе гонко- дисперсного вяжущего на ранней стадии обусловлено увеличением скорости гетерогенных реакций, за­висящей от концентрации вещества и удельной поверхности.

Поэтому диспергирование це­мента, в том числе способом мок­рого домола, при котором содержа­ние мелких фракций (цо 30 мкм) увеличивается приблизительно в

2 раза (определено лазерным ана­лизатором), ускоряет процессы гид­ратации минералов клинкера и твердение цементной системы, осо­бенно в раннем возрасте, т. е. при кинетической стадии протекающих реакций. При этом мокрый домол цемента может быть особо эффек­тивен в присутствии пластифициру­ющих и суперпластифицируюших добавок, так как в результате адсорбции полярных молекул силы когезии, определяющие связь по­верхностных элементов кристалли­ческой решетки частиц цемента, уменьшаются на величину, обуслов­ленную адсорбцией [1], что позво­

24 ляет значимо интенсифицировать процесс их диспергирования.

Дисперсность и гранулометриче­ский состав цемента, активизиро­ванного способом мокрого домола, приведены в табл. 1.

В работе [1] показано также, что адсорбция (Г) Вызывает понижение поверхностного натяжения (а) на поверхности твердого тела на вели­чину А0 - аг = ИТГ к предельной области весьма малых Г. Действие адсорбционных слоев сводится к их двумерной миграции по поверхно­сти в устье микрошелей, которые, по Смекалю [2], всегда присутствуют в хрупких телах, до стерического препятствия, обусловленного собст­венными размерами адсорбирую­щих молекул и соответствующего критической толщине зазора в мик­рощели. В критическом зазоре ес­тественная граница адсорбционного слоя образует линейный барьер, на каждую единицу длины которого действует двумерное давление

Оо - ог в сторону дальнейшего про­движения в глубину микрощели, способствуя, таким образом, разви­тию микрощелей (при постоянстве внешних усилий) и нарастанию деформаций. Эффект означенного давления пропорционален увеличе­нию внешнего усилия /•" на величину Р — о„ - А, , заменяющую собой действие адсорбционных слоев и являющуюся их механическим экви­валентом.

При адсорбции из смачивающей жидкой среды (если деформируе­мое тело помещено в раствор поверхностно-активного вещества

— ПАВ) жидкость проникает в устья микрошелей под влиянием капил­лярного давления. При этом с ме­ниска отрываются молекулы наибо­лее поверхностно-активного компо­нента, которые мигрируют в первую очередь и покрывают поверхность щели со значительно большей ско ростью. чем всасывается жидкость в целом, испытывающая вязкое сопротивление. В части мнкроше - лей. заполненной жидкостью (вбли­зи устья), тонкая пленка жидкости, заполняющая зазор щели, может создавать дополнительное раскли­нивающее давление [3]. Это давле­ние служит мерой лиофильности твердого тела, его сродства с данной жидкостью, а поэтому может усили­ваться при адсорбции в результате соответствующей ориентации ад­сорбционного слоя.

Таким образом, процесс диспер­гирования цементных систем в по­мольных установках в присутствии добавок ПАВ, названный гидроме­ханической активацией цемента, может быть значимо интенсифици­рован и будет характеризоваться существенным сокращением расхо­да энергии на получение вяжущего вещества требуемого качества. При этом продолжительность мокрого помола (гидромеханохимическои активации) цементного теста до требуемой дисперсности может ока­заться соизмеримой с продолжи­тельностью приготовления бетон­ной смеси, что будет способствовать его внедрению в технологию про­изводства бетона и сборного желе­зобетона и обеспечению определен-

Таблица 1

Ного технико-экономического эф­фекта.

Экспериментальные исследова­ния по определению оптимальных параметров технологии гидромеха - нохимической активации цемента (ГМХАЦ) и изучению свойств бе­тона на его основе проводили с использованием низкоалюминатно го портландцемента ПЦ 400-Д 5 и среднеалюминатного ПЦ 500-Д 5 соответственно Белгородского и Воскресенского цементных заводов.

В качестве заполнителей для бе­тона применяли гранитный щебень Питкярантского месторождения фракционного состава, %: 5—10 мм

— 35 и 10—20 мм — 65, кварцевый песок Академического карьера с мкр = 2,1 и проходом 4 % через сито 0,16 мм. Песок но содержанию пылевидных и глинистых частиц удовлетворяет требованиям ГОСТ 10260-80.

В качестве минеральных добавок использовали тонкодисперсный кварцевый песок, доменный грану­лированный шлак Череповецкого металлургического комбината с мо­дулем основности 0,96 и кислую золу ТЭС-22, образующуюся от сжигания каменных углей, а в каче­стве химических добавок — супер­пластификаторы (СП) С-3 по ТУ

6- 14-625—80 Минхимпрома и ФОК, синтезированный во ВНИИ- железобетоне по ТУ-75-06804-71- 88. В качестве добавки, регулирую­щей твердение бетона на основе ГМАХЦ, применяли двуводный гипс.

В процессе исследований изуча­ли влияние продолжительности ГМХАЦ на синтез прочности бетона с варьированием содержания до­полнительного количества гипса, различного вида тонкодисперсных минеральных добавок (кварцевого песка, доменного гранулированного шлака, золы ТЭС) цемента, супер - пластификатора С-3 и способа его введения в бетон (в мельницу или в бетоносмеситель), влияние темпе­ратуры изотермического прогрева, которая принималась равной 80, 60, 50 и 40 "С. Проведены также

Исследования по оценке эффектив­ности использования ГМАХЦ с до­бавкой ФОК, которая вводилась в состав бетона в определенном ко­личестве, равном дозировке добав­ки СП С-3. Прочность бетона опре­деляли в возрасте 1 и 28 сут после тепловлажностпой обработки

(ТВО), а также 28 суг после твер­дения в нормальных условиях (НУ), с использованием образцов-кубов размером 10 ж Ю х ю см.

ГМАХЦ осуществлялась в лабо­раторной вибромельнице типа

СВМ-2 с объемом барабана 10 л, массой мелющих тел (шаров диа­метром 10—12 мм) 37 кг. Бетонные смеси приготовляли в лаборатор­ном бетоносмесителе принудитель­ного действия: диаметр барабана 600 мм, высота 350 мм, число лопастей — 4, угол атаки 90°, угол резания 45 — 60", частота вращения 24 об/мин, скорость на конце лопасти 85 м/с.

Проведенные исследования пока­зали, что оптимальная продолжи­тельность активации цемента спо­собом мокрого домола без супер­пластификатора составляет 10 мин, а с СП С-3 — 2—4 мин, т. е. процесс диспергирования цемента в присут­ствии СП сокращается в 2,5—5 раз. При этом оптимальное содержание добавки СП С-3 в бетоне на акти­вированном цементе колеблется в пределах 1,2—2,2 %.

Установлено также, что наиболь­ший эффект от использования СП С-3 в цементных системах, активи­рованных способом мокрого домо­ла, обеспечивается при его введе­нии в вибромельницу (табл. 2). Для проведения экспериментальных ис­следований применялись бетонные смеси марки по удобоукладываемо - сти П 2 (ОК = 6—7 см).

Исследования, в частности, пока­зали (табл. 2), что оптимальное содержание СП С-3 в бетоне при­нятого состава и удобоукладываемо - сти смеси составляет 1,6 %. При

Этом составе наблюдались мини­мальная водопотребность

(142 л/м3) и максимальная прочно сть, превышающая на 80 % проч­ность контрольного состава в воз­расте 1 сут после ТВО и в 2,8 раза в том же возрасте после твердения в НУ. При этом значимое превыше­ние прочности (на 36—69 %) на­блюдается и относительно бетона, приготовленного с добавкой СП С-3, которую вводили в бетоносме­ситель.

Учитывая, что эффективность ак­тивации цемента в вибромельнице значимо зависит от водоцементного отношения, провели соответствую­щие исследования с бетонами и растворами. Установлено, что опти­мальное значение водоцементного отношения в вибромельнице без СП С-3 находится на уровне 0,4, а при содержании СП С-3 в количестве

2 % — на уровне 0,3—0,34 (табл.

3). При оптимальном содержании СП С-3 прочность ГМХАЦ превы­шает прочность исходного цемента в возрасте 1 сут после ТВО при­близительно в 1,5 раза, а после твердения в НУ в 3,83 раза. При этом расплыв конуса раствора при водоцементных отношениях 0,365 и

0, 336 был больше, чем расплыв конуса контрольного состава, и по­этому следует ожидать, что они характеризовались бы более высо­кой прочностью при их изготовле­нии из изопластичных смесей.

Очевидно, что оптимальное во - доцементнос отношение ГМАХЦ будет зависеть от химико - минераль­ного и вещественного составов цемента, его дисперсности, вида и содержания добавок ПАБ, продол­жительности активации и должно экспериментально уточняться в каж­дом конкретном случае.

Ранее одним из авторов было установлено, что синтез дисперсно­го состава цемента из двух фракций может обеспечить значительный прирост его прочности (на марку и более). Поэтому были проведены исследования по гидромеханохими - ческой активации части цемента (от 20 до 100 %), которые показали техническую целесообразность та­кого технологического приема. В частности, по влиянию на темп твердения и рост прочности цемен­тных систем, а также обозначена возможность применения помоль­ных установок малой мощности для организации ГМХАЦ в производст­венных условиях.

В качестве примера в табл. 4 представлены результаты по ГМХАЦ в количестве 35 % от общего расхода цемента на замес. Показано, что частичная активация цемента (35 %) с СП С-3 (1,<> % от суммарного содержания цемента в бетоне) в течение 4—8 мин повы­шает прочность бетона в возрасте 1 сут после ТВО относительно бетона на активированном цементе в течение 10 мин без СП С-3 на 36—54 %, а после твсрдсиия в НУ на 35 % (продолжительность акти­вации 2 мин). Такое повышение прочности бетона эквивалентно экономии цемента в количестве 17—27 %.

При использовании частичном (35 %) активации цемента и течение 2—8 мин и содержании СП С-3 в
мельнице в количестве 1,6 %, что составляет 0,55 % от суммарного содержания цемента в бетоносме­сителе, прочность бетона на его основе в возрасте 1 сут после ТВО превышала прочность бетона на исходном цементе на 49—65 %, а па активированном в течение

10 мин без СП С-3 на 24—40 %. При этом следует отметить высокие реологические характеристики (те­кучесть) цементного теста после активации с СП С-3, позволяющие использовать для его транспорти­рования бетоно - или пневмокамер - ные насосы.

Кроме того, исследования ГМХАЦ показали целесообразность увеличения содержания гипса в его составе на 2—2,5 %, обеспечиваю­щего повышение прочности бетона на 20—40 %, возможность осуще­ствления его тепловой обработки при температуре прогрева 40—60 °С в зимнее время.

Установлено также, что ГМХАЦ является эффективным технологи­ческим приемом, обеспечивающим возможность значимого повышения содержания минеральных добавок в многокомпонентных цементных си­стемах и соответственно снижение их себестоимости. Так, при введе­нии в состав ГМХАЦ кварцевого песка, золы ТЭС и доменного гранулированного шлака без СП С-3 экономия цемента составляет соответственно 30, 50 и 80 %.

Исследования свойств бетона на ГМХАЦ показали, что его основные эксплуатационные характеристики (деформативные свойства, морозо­стойкость) находятся на уровне кон­трольного состава.

Таким образом, проведенные ис­следования показали высокую эф­фективность * использования ГМХАЦ в присутствии суперпласти - фикатора С-3 в технологии произ­водства бетона и сборного железо­бетона, обеспечивающую интенси­фикацию производства, значимую экономию цемента (20—80 %) и топливно-энергетических ресурсов, а также снижение себестоимости готовой продукции. Следует также отметить, что исследования пробле­мы ГМХАЦ требует фундаменталь­ного развития в плане дальнейшей разработки технологических пара метров, совершенствования серий­ного и создания нового помольного оборудования.

П. ФЕДИН, г ф ТАРАСОВ, кандидаты техн. наук (Нижегородская государственная архитектурно-строительная академия)