Аппараты вихревого слоя в производстве безобжиговых ангидритовых вяжущих

Аннотация

Мирская М.В.

Рассмотрена возможность получения безобжигового ангидритового вяжущего в аппаратах вихревого слоя. Исследовано влияние продолжительности измельчения сырья на его удельную поверхность. Получены экспериментально-статистические модели свойств прессованных мелкозернистых бетонов на основе полученного вяжущего. Ключевые слова: ангидритовое вяжущее, прессование, мелкозернистые бетоны

05.23.05 - Строительные материалы и изделия

Ростовский государственный строительный университет

В настоящее время гипсовая промышленность в основном выпускает строительные изделия на основе гипсовых вяжущих веществ, получаемых путем низкотемпературного обжига природного сырья до полугидрата сульфата кальция. Другие виды гипсовых вяжущих веществ – безобжиговые и высокообжиговые, сегодня имеют ограниченное использование. Это обусловлено необходимостью продолжительного помола гипсового сырья совместно с активизаторами твердения при производстве безобжиговых гипсовых вяжущих веществ и значительными расходами энергии при получении высокообжиговых, а также длительным периодом твердения искусственных конгломератов, получаемых на основе этих вяжущих [1]. Однако, достижения науки и техники последних лет, а именно развитие новых методов измельчения сырья, а также способов формования изделий, вновь делают весьма перспективным применение этих вяжущих веществ в современном строительстве.
Результаты проведенных нами исследований показывают, что указанные выше недостатки безобжигового ангидритового вяжущего могут быть частично или полностью устранены с одной стороны за счет использования для его получения мельниц с вихревым слоем ферромагнитных элементов, а с другой – применением для формования изделий метода жесткого прессования под высокими удельными давлениями.
В аппаратах с вихревым слоем ферромагнитных элементов измельчение ангидритового камня происходит вследствие ударных воздействий, что приводит не только к увеличению удельной поверхности получаемого вяжущего вещества, но также и к росту дефектности его частиц [2]. Большое значение имеют продолжительность действия силы, которую оказывают ферромагнитные элементы на измельчаемый материал и частота ее приложения. Измельчение тем интенсивнее, чем большая прикладывается к измельчаемому материалу сила, чем меньше продолжительность действия этой силы и больше частота ее воздействия. Ангидритовое вяжущее вещество с высокой удельной поверхностью и развитой дефектностью отдельных частиц должно обладать и повышенной гидратационной активностью [3].
В настоящей работе исследовали влияние продолжительности измельчения природного сырья в мельнице с вихревым слоем ферромагнитных частиц на свойства получаемого ангидритового вяжущего вещества и прессованных мелкозернистых бетонов на его основе.
Для получения вяжущего использовали гипсоангидритовый камень Шедокского месторождения Краснодарского края, встречающийся на данном месторождении в виде подстилающего слоя в залежах гипсового камня. Вследствие незначительного содержания двуводного гипса (менее 30 %) гипсоангидритовый камень не используют в качестве сырья для производства обжиговых вяжущих веществ, а также и в других целях.
В качестве активизатора твердения применяли гашеную воздушную известь, в количестве 5 % от массы гипсоангидритового камня. С целью компенсации вредного влияния извести на прочность и водостойкость получаемого искусственного конгломерата [1] в состав вяжущего дополнительно вводили кремнеземистый компонент – вулканический пепел Заюковского месторождения Ставропольского края в количестве 15 % от массы гипсоангидритового камня.
Гипсоангидритовый камень, известь и пепел совместно измельчали в лабораторной установке с вихревым слоем ферромагнитных частиц в течение от 30 до 210 с.
Соотношение между ферромагнитными элементами и загружаемым материалом приняли 1:1. Ферромагнитные элементы имели диаметр 1,2 и длину 12 мм, что соответствует l/d=10. Согласно результатам проведенных нами ранее исследований, соблюдение таких параметров обеспечивает наилучший эффект измельчения [4].
Тонкость помола получаемого ангидритового цемента определяли методом воздухопроницаемости на приборе Товарова.
Установлено, что с увеличением продолжительности измельчения сырьевых компонентов, практически пропорционально от 2615 до 6085 см²/г возрастает удельная поверхность получаемого ангидритового вяжущего (таблица 1).
Следует отметить, что эквивалентную тонкость помола ангидритового камня в шаровых мельницах, традиционно используемых в этих целях, можно достичь через 5-8 ч помола [1].

Таблица 1

Как известно, тонкость помола минеральных вяжущих веществ является одним из важнейших факторов, определяющих физико-механические свойства композитов на их основе. Поэтому продолжительность измельчения сырья (Т, с) при производстве ангидритового вяжущего была принята в качестве исследуемого фактора при проведении экспериментально-статистического моделирования свойств прессованных мелкозернистых бетонов на его основе.
Использовали трехуровневый план проведения эксперимента Бокса, при числе факторов k = 3, являющийся одним из наиболее удобных при решении рецептурных и технологических задач. В качестве двух других исследуемых факторов использовали соотношение между вяжущим и заполнителем в формовочной смеси (В/З) и ее влажность (W, %).
Интервалы варьирования исследуемых факторов представлены в таблице 2.

Таблица 2

Другие рецептурные и технологические факторы, были стабилизированы: давление прессования при изготовлении лабораторных образцов принимали 40 МПа, условия твердения образцов – влажные (28 сут в эксикаторе над водой при температуре 25±2 °С).
В качестве заполнителя для исследуемых мелкозернистых бетонов применяли фракционированный песок плотного зернового состава, с наибольшим размером зерен 5 мм, получаемый дроблением ангидритового камня.
В ходе реализации плана эксперимента исследовали изменение предела прочности при сжатии высушенных и насыщенных водой образцов, а также их средней плотности, пористости, водопоглощения по массе и по объему.
Полученные в результате реализации плана эксперимента полиномиальные экспериментально-статистические модели (ЭС-модели) указанных выше исследованных свойств затвердевших прессованных мелкозернистых бетонов на основе ангидритового цемента имеют вид:

где  Y – исследуемое свойство;
x₁, x₂ и х₃ – исследуемые факторы;
b₀, b₁, b₂ , b₃, b₁₁, b₂₂, b₃₃, b₁₂, b₁₃, b₂₃,– коэффициенты регрессии полиноминальной модели;
Анализ полученных ЭС-моделей показывет, что в принятых интервалах варьирования исследуемых факторов, прессованные мелкозернистые бетоны на основе предлагаемого ангидритового вяжущего характеризуются широким диапазоном физико-механических свойств: прочность при сжатии в сухом состоянии изменяется в пределах 25,0-35,7 МПа; то же в водонасыщенном состоянии – 12,5-20,2 МПа (рисунок 1). Коэффициент размягчения лабораторных образцов составил – 0,47-0,64; средняя плотность – 2340-2420 кг/м³, водопоглощение по массе – 4,4-6,0 %.
Как видно из графиков, представленных на рисунке 1, прочность материала, как в высушенном, так и в водонасыщенном состоянии уменьшается с увеличением соотношения между ангидритовым цементом и заполнителем, в принятых интервалах варьирования этого фактора. Однако значительно большее влияние на прочность прессованных композитов оказывает второй исследуемый фактор - продолжительность измельчения сырьевых компонентов при получении ангидритового цемента. С удлинением времени помола от 60 до 180 с удельная поверхность получаемого вяжущего вещества увеличивается от 3700 до 5600 см²/г, что закономерно способствует повышению его гидратационной активности и прочности затвердевших мелкозернистых бетонов.
Оптимизацию исследуемых факторов с целью получения мелкозернистых бетонов с наибольшей прочностью проводили по соответствующим квазиоднофакторным моделям, построенным по методике, приведенной в [5].
Квазиоднофакторные модели предела прочности лабораторных образцов в сухом состоянии имеют вид:

W₁ = (1,419 + 0,537x₂ + 1,254x₃)x₁ + 0,207x₁₂
W₂ = (1,793 + 0,537x₁ + 0,213x₃)x₂ - 2,41x₂₂
W₃ = (0,777 + 1,254x₁ + 0,213x₂)x₃ - 3,266x₁₂

Графически квазиоднофакторные модели влияния соотношения между ангидритовым вяжущим и дробленым ангидритовым песком (W₁), продолжительность измельчения сырьевых материалов в процессе получения вяжущего в мельнице с вихревым слоем (W₂) и влажности формовочной смеси (W₃) на прочность сухих образцов представлены на рисунке 2.
Анализ этих моделей показывает, что компенсировать расход вяжущего при получении равнопрочных бетонов можно за счет увеличения тонкости его помола и повышения влажности формовочной смеси.
Как видно из графиков, оптимум второго и третьего исследуемого факторов всегда находятся в области эксперимента. Наибольшая прочность достигается, если второй исследуемый фактор находится между нулевым и верхним уровнем его варьирования, что соответствует примерно 150 с измельчения сырьевых компонентов при получении ангидритового вяжущего (модель W₂). Удельная поверхность ангидритового вяжущего в этом случае составляет 5150 см²/г. Увеличение тонкости помола вяжущего сверх оптимальной приводит к некоторому снижению прочности.
Анализ модели W₃ показывает, что оптимальная влажность формовочной составляет около 6% (X₃ = 0), но зависит от первого исследуемого фактора - соотношение между вяжущим веществом и заполнителем. Водопотребность смесей с соотношением В/З = 1:5 несколько понижается, а смесей с В/З = 1:3 закономерно повышается.
Лабораторные образцы из мелкозернистых бетонов оптимизированных составов при разном соотношении между вяжущим и заполнителем характеризуются коэффициентом размягчения более 0,6, водопоглощением по массе менее 5 % и выдержали 35 циклов попеременного замораживания и оттаивания.
Таким образом, проведенные исследования показали возможность и перспективность производства безобжигового ангидритового вяжущего вещества путем кратковременного измельчения природного сырья в мельницах с вихревым слоем ферромагнитных элементов. Предлагаемая энергосберегающая технология получения вяжущего позволяет расширить сырьевую базу для производства мелкоштучных стеновых изделий за счет комплексного использования ангидритового камня. Полученное ангидритовое вяжущее также можно использовать и в традиционных целях - для производства кладочных растворов, устройства бесшовных наливных полов, изготовления искусственного мрамора и для получения смешанных ангидритовых вяжущих.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Ферронская А.В. Гипсовые материалы и изделия (производство и применение). Справочник. – М.: Издательство АСВ, 2004. – 488 с.
2. Логвиненко Д.Д., Шеляков О.П. Интенсификация технологических процессов в аппаратах с вихревым слоем. – Киев: Издательство «Технiка», 1976, -144 с.
3. Будников П.П., Гулинова Л.Г., Торчинская С.А. Гипсовые безобжиговые цементы. // Украинский химический журнал. – 1955. - Т. 21 - Вып. 2. – С. 136-139.
4. Каклюгин А.В, Козлов А.В., Мирская М.В. Получение безобжигового ангидритового вяжущего в аппаратах вихревого слоя. // Известия высших учебных заведений. Строительство., № 8, 2007
5. Вознесенский В.А., Ляшенко Б.Л., Огарков Б.Л. Численные методы решения строительно-технических задач на ЭВМ. – Киев: Высш.шк., 1989. -328 с.

Рисунок 2 - Квазиоднофакторные модели влияния соотношения между вяжущим и заполнителем В/З (Х₁), продолжительности измельчения Т (Х₂) и влажности формовочной смеси W (Х₃) на прочность сухих образцов из мелкозернистого бетона на безобжиговом ангидритовом вяжущем
« + » - верхний уровень, « - » - нижний уровень

20 июня 2008 г.