Активизация частично гидратированного цемента в электромагнитных активаторах

Аннотация

Р.А. Торлин, А.И.Шуйский, А.А.Новожилов, Е.А. Торлина, С.Б. Языева

Статья посвящена исследованию влияния параметров электромагнитной активации на прочность лежалого цемента, с целью восстановления его активности.
Ключевые слова: активность цемента, электромагнитная активация, дисперсность цемента, высокая энергоэффективность.  

05.23.05 - Строительные материалы и изделия

Основной целью данных исследований являлось оценка возможности повышения активности частично гидратированного (лежалого) цемента, за счет дополнительного измельчения вяжущего в специальных помольных агрегатах. Обычный портландцемент при хранении в мешках теряет 8-15% своей активности  за месяц. Основной причиной потери активности является адсорбция влаги из воздуха и частичная гидратация цемента. При этом, поверхностный слой цемента может подвергаться значительной гидратации, а его внутренняя часть сохраняет   активность. Существует резерв повышения этой активности. Известно, что активность цементов зависит от степени их дисперсности. С увеличением удельной поверхности цемента от нормативной (S_уд = 3000 см² /г) до максимальной рекомендуемой (S_уд = 5000 см² /г) прочностные характеристики его повышаются. Этот факт позволяет сделать вывод, что возможна переработка лежалого цемента путем его диспергации в помольном агрегате, что позволит повысить его удельную поверхность и,  как следствие, активность.
Однако решение этого вопроса сдерживается отсутствием  высокоэффективных помольных агрегатов с низкой энергоемкостью.
В Центре инновационных технологий Ростовского государственного строительного университета проводятся исследования по внедрению в строительство электромагнитных активаторов (разновидность аппаратов вихревого поля). Первые опыты использования активаторов для диспергации строительных материалов показали их высокую эффективность и низкую энергоемкость (  в десятки раз ниже чем у шаровых мельниц и дезинтеграторов).
Внешне, аппарат представляет собой индуктор, помещенный в корпус. Через расточку индуктора проходит труба из немагнитного материала (рабочее пространство). При подаче электроэнергии в рабочем пространстве создается мощное вращающееся электромагнитное поле, которое вращает помещенные в него ферромагнитные элементы. Последние становятся магнитами и взаимодействуют с основным полем. В результате взаимодействия генерируется ряд эф­фектов, воздействующих на вещество (в нашем случае – лежалый цемент), помещенное в рабочее пространство. К таким эффектам могут быть отнесены - магнитострикция, механострикция, кавитация, электролиз, торсионные поля, акустические волны. Удельная мощность этих эффектов весьма вели­ка, что позволяет диспергировать и активизировать лежалый цемент.  
На первом этапе работы проводилась подготовка лежалого цемента. Для этого от партии цемента были отобраны три мешка, цемент в которых частично прогидратировал. Этот цемент подвергли дроблению в щековой и молотковой дробилках, до получения максимального размера частиц 1-2мм. После этого была отобрана представительная проба цемента и подвергнута обработке в активаторе. Во время прохождения лежалого цемента через аппарат, происходит активация частиц цемента за счет того, что движущиеся с большой скоростью ферромагнитные частицы взаимодействуют с цементом и измельчают его. При многократном прохождении через активатор степень помола увеличивается. В эксперименте варьировалось количество прохождений лежалого цемента  через активатор в пределах от 1 до 5 раз. При этом контролировались характеристики гранулометрического состава и удельной поверхности частиц цемента с помощью Микросайзера МС-201С. После обработки, из полученного цемента готовился цементно-песчаный раствор стандартной консистенции, из которого формовались образцы-балочки стандартного размера (40x40x160 мм). Образцы твердели в течение 28 суток в нормальных условиях. После этого образцы подвергали физико-механическим испытаниям.  
Анализ результатов испытаний приведенных на рисунке 1. показал, что увеличение количества прохождений лежалого цемента через активатор от  1 до 5 раз  приводит к увеличению удельной поверхности  цемента с   S_уд= 2370см²/г до S_уд = 4720см²/г. При этом изменяется и характер распределения частиц по фракциям.

Анализ кривых распределения частиц цемента по фракциям при изменении времени обработки лежалого цемента  показал, что увеличение количества этапов обработки   приводит к смещению кривых распределения в сторону увеличения количества мелких фракций цемента. Так, для необработанного цемента количество частиц диаметром менее 20 мкм составило 54,6%, а для цемента обработанного 5 раз   составило  71,2%.
Такие изменения дисперсности цемента приводят к росту прочности цементного камня, что подтверждается результатами испытаний образцов - балочек, приведенными на  рис.2.

       Анализ результатов исследования подтвердил, что активация лежалого цемента  позволяет повысить среднее значение показателя удельной поверхности (почти в два раза). При этом активность цемента повысилась с Rсж = 15,2МПа до Rсж = 40,4МПа. Установлено, что для исследованного цемента достаточно 2-3 этапов обработки, т.к. дальнейшее повышение дисперсности цемента приводит к значительному росту водопотребности и снижению прочностных показателей.