К.т.н., Мурог В.Ю., к.т.н Петров О.А., к.т.н., Гарабажиу А.А.

Белорусский государственный технологический университет

Получение механоактивированных цементов путем ударного многократного воздействия

Одним из наиболее перспективных направлений практического применения механической активации в промышленности является использование механохимических методов обработки вяжущих веществ с целью повышения их полезных свойств. Активация ведёт к увеличению удельной поверхности вяжущего, изменению поверхностной структуры частиц, возникновению физических дефектов в подрешетках и решетках минералов, приводящих к возникновению избыточной энергии и ускоряющих элементарные взаимодействия поверхностного слоя с водой. В результате происходит сокращение времени достижения цементом марочной прочности и обеспечение более полного использования его химической энергии.

На сегодняшний день не существует единого мнения о том, в аппаратах какого типа наиболее целесообразно осуществлять механоактивационные процессы. Ряд исследователей утверждает, что наиболее полно активация осуществляется в вибромельницах, другие - в планетарных мельницах, третьи наиболее перспективной считают дезинтеграторную технологию, четвертые - использование струйно-роторных установок. В тоже время, несмотря на большое количество проведенных исследований, а также множество предложенных конструкций активаторов, их эффективность выявить довольно сложно, так как большинство исследователей не приводят удельные энергозатраты на достижение определенного эффекта. Причем, несмотря на существующее многообразие способов измельчения, в промышленности в последнее время все более отчетливо прослеживаются тенденции в преобладании ударного воздействия на материал, как одного из наиболее эффективных способов разрушения твердых материалов. Перспективной же является лишь такая технология механической активации материала, при которой соблюдается условие экономической целесообразности его получения.

Для получения ответа на этот вопрос нами были проведены экспериментальные исследования. Они проводились на установке дезинтеграторного типа и ударно-вихревой мельнице периодического действия, вследствие того, что многократное ударное нагружение, реализуемое в машинах этого типа, является одним из наименее энергоемких способов разрушающего воздействия на материал, а также конструкционной простоты этих измельчителей.

Установка дезинтеграторного типа состоит из дисмембратора, имеющего ротор и статор, на которых смонтированы три и два концентрических ряда измельчающих элементов (цилиндрических пальцев) соответственно, питателя и регулирующей аппаратуры. Ударно-вихревая мельница периодического типа включает цилиндрический корпус, снабженный устройством для выгрузки материала, внутри которого находится ротор с измельчительными элементами (ножами), привод и питатель.

Активация исходного материала проводилась путем его однократного пропускания через дисмембратор при различных линейных скоростях вращения ротора (от 5 до 50 м/с), а также обработкой в ударно-вихревой мельнице периодического типа при различном времени обработки. Затем на приборе ПСХ-8А была измерена удельная поверхность и средний диаметр частиц исходного (неактивированного) и обработанного в активаторах материала.

В результате было установлено, что с увеличением интенсивности обработки цемента в дисмембраторе за счет увеличения частоты вращения ротора, удельная поверхность вяжущего вначале резко увеличивается от 2500 см²/г для исходного цемента до 4750 см²/г для активированного при 47,5 м/с, а затем изменяется незначительно. Следовательно, можно сделать вывод, что оптимальная скорость обработки лежит в пределах 45-50 м/с.

Далее исследовалась возможность повышения поверхности вяжущего при обработке в дисмембраторе за счет увеличения кратности обработки. В результате было установлено, что она не только не увеличивается, но даже уменьшается при двукратной обработке до 2800 см²/г, а при трехкратной - до 2300 см²/г. Данное явление объясняется тем, что частицы цемента начинают агломерироваться. Условно такое явление можно назвать «переактивацией» материала, так как оно ведет к ухудшению его технологических свойств.

Активация цемента в ударно-вихревой мельнице проводилась путем его однократной обработки в течение 1; 2; 2,5; 3 и 4 минут. При этом удельная поверхность исходного вяжущего изменялась от 2500 см²/г до 3745 см²/г, 4500 см²/г, 4200 см²/г, 3990 см²/г и 4000 см²/г соответственно.

Затем из активированного цемента делался раствор нормальной густоты, из которого формовались опытные образцы. Испытания образцов на прочность при сжатии проводились по стандартной методике после трех, семи и двадцативосьми суточного твердения. Предел прочности при сжатии вычислялся как среднее арифметическое результатов разрушения семи образцов.

В итоге было установлено, что прочность цементного камня изготовленного из активированного цемента дисмембраторного приготовления составила 23 МПа после трехсуточного твердения, 31,5 МПа после семисуточного твердения и 55 МПа после двадцативосьми суточного твердения, а изготовленного на основе цемента, который подвергался активации в ударно-вихревой мельнице в течение 2,5 минут, - 17, 32 и 81 МПа соответственно. Прочность на сжатие цементного камня полученного из неактивированного цемента равнялась 14 МПа. Удельные энергозатраты на достижение данного эффекта составляют 15 кВтч/т и 14,5 кВтч/т соответственно.

Таким образом, можно сделать вывод, что удельные энергозатраты на активацию в ударно-вихревой мельнице на 3,3 % меньше, а прочность цементного камня после двадцати восьмисуточного твердения на 47,3 % больше, чем при дисмебраторной обработке.