Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса и задачи исследования 7
1.1. Влияние зернового состава цемента на его строительно-технические свойства 7
1.2. Современные измельчители клинкера и добавок 12
Выводы и задачи исследования 22
2. Материалы и методика исследования 24
2.1. Материалы 24
2.2. Методика экспериментов 25
2.2.1. Методика измельчения 26
2.2.2 Методика определения содержания частиц во фракции и параметров зернового распределения
2.2.3. Факторный эксперимент 33
Выводы к главе 2 39
3. Оптимизация свойств цементов центробежно-ударного измельчения
3.1 Влияние режимов измельчения центробежно-ударной мельницы на зерновой состав цемента 40
3.2. Влияние режимов измельчения центробежно-ударной мельницы на строительно-технические свойства цемента 53
3.3. Взаимосвязь параметров зернового состава и прочностных характеристик цементов 71
Выводы к главе 3 74
4. Бетоны на основе цементов центробежно-ударного измельчения 76
4.1. Подбор составов тяжелого бетона 76
4.2. Исследование свойств бетонов 83
4.2.1. Физико-механические свойства 83
4.2.1. Деформативные свойства 85
4.2.3. Эксплуатационные свойства 86
Выводы к главе 4 87
5. Энергосбережение в технологии центробежно-ударного измельчения и экономическая эффективность применения цементов и бетонов на их основе 89
5.1. Оценка эффективности помольной системы с применением центробежно-ударнои мельницы
5.2. Экономическая эффективность применения цементов центробежно-ударного измельчения и бетонов на их основе
Выводы к главе 5 95
Основные выводы 96
Библиографический список 99
- Влияние зернового состава цемента на его строительно-технические свойства
- Методика определения содержания частиц во фракции и параметров зернового распределения
- Влияние режимов измельчения центробежно-ударной мельницы на зерновой состав цемента
- Подбор составов тяжелого бетона
Введение к работе
Актуальность
Цемент является одним из основных строительных материалов и используется главным образом для производства бетонов различных видов. Доля стоимости цемента в общем объеме затрат на строительно-монтажные работы составляет около 7,5%. Большие объемы применения цемента в строительстве обусловливают актуальность проблемы по снижению энергоемкости его производства, поскольку это приводит к уменьшению энергоемкости бетонов.
Около 75% энергозатрат при получении цемента приходится на помол клинкера и добавок. В этой связи приоритетным направлением снижения энергозатрат при производстве цемента является понижение энергоемкости процесса измельчения.
Снижение энергозатрат при помоле клинкера с добавками может быть обеспечено применением принципиально новых измельчителей, в частности центробежно-ударных мельниц (МЦ).
Качество цемента, получаемого измельчением клинкера в МЦ, остается не изученным. В литературе отсутствуют сведения о свойствах бетонов на основе цементов центробежно-ударного измельчения. Исследование свойств, получаемых в МЦ цементов и бетонов на их основе, даст возможность применения МЦ в цементной промышленности, и, следовательно, будет способствовать снижению энергозатрат на процесс измельчения.
Цель работы: Оптимизировать свойства цементов, полученных в МЦ, и исследовать свойства бетонов на их основе.
Исходя из цели, были сформулированы задачи исследования:
Установить взаимосвязь между зерновым составом и строительно-техническими свойствами цементов центробежно-ударного измельчения, и определить оптимальные режимы работы МЦ для получения цементов требуемых свойств.
Разработать составы и исследовать физико-технические и эксплуатаци-
5 онные свойства бетонов на основе цементов центробежно-ударного измельчения.
3. Оценить экономическую эффективность применения цементов центробежно-ударного измельчения и бетонов на их основе. Научная новизна
Установлено, что при центробежно-ударном способе измельчения цемент характеризуется узким зерновым составом со степенью однородности w= 1,1-1,4 и изометрической формой частиц.
Определено влияние зернового состава цементов различных способов помола на их строительно-технические свойства и установлено, что цементы центробежно-ударного измельчения характеризуются меньшей водопотреб-ностью в цементно-песчаных растворах и бетонах.
Выявлена взаимосвязь режимных параметров работы центробежно-ударной мельницы, зернового состава, строительно-технических свойств получаемых цементов.
Установлены режимы работы центробежно-ударной мельницы, обеспечивающие требуемые строительно-технические свойства цементов.
Установлено, что технология измельчения с использованием МЦ является энергосберегающей за счет более низкого агрегирования частиц. Практическая ценность
1. Измельчение клинкера в центробежно-ударной мельнице обеспечивает
получение цементов марок ПЦ400 и ПЦ500 согласно ГОСТ 10178-85.
Разработаны составы тяжелых бетонов на основе цементов центробежно-ударного измельчения.
Бетоны, полученные на основе цементов центробежно-ударного измельчения по физико-механическим, деформативным и эксплуатационным свойствам не уступают аналогичным бетонам на товарных цементах Магнитогорского цементно-огнеупорного завода (МЦОЗ) и удовлетворяют требованиям СНиП 2.03.01-84.
Экономически обосновано применение МЦ в технологии измельчения клинкера.
Разработана «Технологическая инструкция по получению портландце-ментов в центробежно-ударной мельнице» (прил. 1).
Реализация результатов работы
Результаты проведенных исследований использованы при выпуске опытно-промышленной партии бетонов класса В15 на основе цемента цен-тробежно-ударного измельчения на заводе ЖБИ ЗАО «Строительный комплекс» (прил. 2).
Результаты диссертационной работы приняты ЗАО «Урал-Омега» для дальнейшей модернизации помольных установок с целью применения их в цементной промышленности (прил. 3). Апробация работы
Основные результаты работы доложены на II Международном совещании по химии и технологии цемента (Москва, 2000 г.), на III Международной научно-практической конференции «Бетон и железобетон в третьем тысячелетии» (Ростов-на-Дону, 2004), на 61-й научно-технической конференции по итогам научно-исследовательских работ за 2001-2002 гг. (Магнитогорск, 2002).
Публикации
Основное содержание диссертации опубликовано в 7 работах. Структура и объем работы
Диссертационная работа состоит из введения, 5-ти глав, основных выводов, списка используемой литературы и приложений. Работа изложена на 128 страницах машинописного текста, включающего 41 таблицу, 42 рисунка, список литературы из 109 наименований, 5 приложений.
Влияние зернового состава цемента на его строительно-технические свойства
Исследованием гранулометрического состава цемента и его влияния на прочность, скорость ее нарастания и строительно-технические свойства цемента занимались многие исследователи [24, 25, 40, 43, 51, 77, 87, 93, 104, 105].
В большинстве работ цементный порошок условно делят на три фракции: мелкую, среднюю и крупную.
К мелкой фракции относят зерна, которые способны полностью прогид-ратировать к суточному возрасту. По различным оценкам [13, 40, 43, 51, 93] это частицы размером 0-3 мкм, 0-5 мкм, 0-7 мкм, 0-8 мкм или 0-10 мкм. Авторы ряда работ [25, 40, 43, 51, 87, 93, 105] отмечают, что прочность цементов в начальные сроки твердения пропорциональна содержанию в них мелкой фракции.
Известно [25, 77, 85], что скорость гетерогенных реакций в их начале пропорциональна площади раздела фаз. В последующем образование новой фазы протекает с молекулярно-диффузионным контролем и в меньшей степени связано с первоначальной поверхностью раздела фаз. По данным И.В. Кравченко, А.Н. Иванова-Городова, Г.И. Новгородцева и Б.Э. Юдовича в начальный период гидратации цементов рост прочности пропорционален удельной поверхности исходного цемента или содержанию в нем мелких частиц [40, 43,51,94].
Кроме повышенной удельной поверхности, обусловливающей быстрое взаимодействие цемента с водой, в мелкой фракции в результате избирательного измельчения скапливаются менее твердые и более гидравлически активные минералы клинкера - C3S и СзА [25]. Эти процессы оказывают влияние на процесс гидратации мелкой фракции.
Однако мелкая фракция, затворенная водой отдельно от средней и крупной, после начальных сроков твердения обнаруживает сбросы прочности [40, 104]. А.Н. Иванов-Городов [40] характеризует мелкую фракцию следующим образом. Мелкая фракция цемента с размерами частиц менее 10 мкм обладает наибольшей скоростью гидратации. Степень гидратации мелкой фракции через 24ч достигает примерно 75-80% и превышает степень гидратации цементов обычной степени дисперсности к этому сроку примерно в 2-2,5 раза. Однако процесс гидратации мелкой фракции протекает весьма неравномерно. Он сопровождается значительным выделением тепла и характеризуется чрезвычайно высокой скоростью именно в начальный период, примерно до 24 часов с момента затворения, после чего скорость гидратации резко замедляется. Высокая дисперсность мелкой цементной фракции приводит к чрезмерно быстрому возникновению гидратных новообразований, которые кристаллизуются в виде очень большого количества мельчайших кристалликов, очевидно, обладающих значительными дефектами структуры. Это определяет их термодинамическую неустойчивость (метастабильность) и приводит к ускорению процесса перекристаллизации новообразований. Мелкая фракция цемента отличается высокой водопотребностью. Несмотря на это, мелкая фракция все же отличается наибольшей прочностью в первые сутки твердения. Рост прочности после 24 часов твердения почти полностью приостанавливался и сменялся заметным снижением. Отмеченное снижение прочности цементов чрезмерно высокой степени дисперсности обуславливается сложными физико-химическими процессами, происходящими при взаимодействии цемента с водой. При гидратации таких высокодисперсных цементов происходит весьма быстрое пересыщение жидкой фазы гидратными новообразованиями, которые по общепринятым представлениям кристаллизуются с дефектами структуры в виде неустойчивых кристаллогидратов субмикроскопических размеров. Быстрое изменение концентрации извести в жидкой фазе, а также изменение степени ее пересыщения приводит к ускорению процесса перекристаллизации и изменению состава новообразований. Этот процесс сопровождается растворением первичной кристаллизационной структуры и формированием новой структуры, образующейся из более стабильных гидратов, что и вызывает снижение прочности цементного камня. Спад прочности, наблюдаемый при переизмельчении цементов, может быть обусловлен и появлением внутренних напряжений в структуре цементного камня, возникающих вследствие превышения скорости образования гидратных соединений (в виде оболочки вокруг каждого цементного зерна) над скоростью растворения их и переноса в зону свободной воды. Некоторое значение могут иметь также и внутренние напряжения, возникающие в результате направленного роста кристаллов при уплотнении рыхлых первичных структур твердеющего цементного камня [40].
Г. Кюль [104] объясняет спад прочности цементного камня на основе мелкой фракции тем, что при гидратации данных частиц в основном образуется гель, в то время как крупные фракции, благодаря продолжающейся гидратации отсасывают воду от ранее образовавшихся пористых гелей и благодаря этому приводят к их затвердеванию.
Против теории Кюля выдвинуто два возражения. Первое состоит в том, что водопотребность крупной и мелкой фракций и их водоудерживающая способность различны. При равномерном распределении воды в процессе перемешивания с цементом крупные частицы окажутся в обводненных участках. Излишек воды, остающийся около них, сохранится в бетоне, так как он превосходит количество воды, которое эти частицы смогут использовать для гидратации. Поэтому крупные частицы не участвуют в отсосе воды из новообразований вокруг мелких частиц и практически бесполезны в бетоне [87]. Это подтверждается опытами по замене крупных фракций инертными материалами [77]. Второе возражение: непрореагировавшие зерна цемента, особенно содержащие С3А, при их дальнейшей гидратации в уже сложившейся структуре затвердевшего цементного камня могут вызвать явления разрушительного порядка [32].
Методика определения содержания частиц во фракции и параметров зернового распределения
С целью определить влияние величины параметра п (при Xe=const) на пределы прочности при сжатии в различные сроки твердения, проведено измельчение клинкера совместно с гипсовым камнем в различных мельницах.
У продуктов обеих мельниц значение Хе составило 25 мкм, а величина п -1,36 и 0,92 соответственно для цементов, полученных в центробежной (МЦ) и шаровой (ШМ) мельницах. Кинетика роста прочности цементов (рис. 3.24) показала, что при увеличении параметра п при Xe=const, начальная прочность понижается, а марочная (в возрасте 28 сут) значительно возрастает. Причиной различной кинетики роста прочности цементов является их значительные отличия по зерновому составу. Увеличение параметра п приводит к перераспределению частиц в различных фракциях: содержание частиц с размерами 0-5 и более 30 мкм уменьшается, а частиц 5-30 мкм становится больше. начальную прочность цементного камня. По этой причине пределы прочности цементов различных способов помола в возрасте 2 суток близки по величине (табл. 3.18). Предел прочности при сжатии в возрасте 28 суток (активность) цемента центробежного измельчения выше на 10,4 МПа. Высокая прочность в марочном возрасте связана с тем, что цемент, полученный в МЦ, обладает лучшей тониной (по параметру Хе) и более узким зерновым составом (по параметру п). Поэтому удельная поверхность не может являться показателем качества (тонины помола) цементов, полученных различным способом помола. Если цементы при равной удельной поверхности имеют существенные отличия по зерновому составу, то такие цементы обладают только равной начальной прочностью. По остальным показателям возможны существенные различия. При равной прочности цементы различных способов помола имеют различия в параметрах зернового распределения (рис. 3.25.). (параметр Хе выше) и более узкий зерновой состав (параметр п выше). Как было показано ранее (рис. 3.24), увеличение п при Xe=const приводит к значительному повышению прочности в марочном возрасте. Увеличение Хе при ft=const связано с понижением тонины помола, следовательно, уменьшением прочности к 28 суткам твердения. Одновременное увеличение обоих параметров (как показано на рис. 3.25) приводит к тому, что цементы имеют равную прочность. При этом цементы центробежного измельчения имеют более низкую удельную поверхность и более низкие удельные энергозатраты на их получение (табл. 3.16). Выводы к главе 3 1. Методом планирования эксперимента получены зависимости показателей зернового состава и строительно-технических свойств цементов от режимов работы мельницы. Полученные данные позволяют обеспечить режимы работы мельницы для получения цементов с заданным зерновым составом и строительно-техническими свойствами. 2. Установлены области варьирования факторов, при которых цементы соответствуют требованиям ГОСТ 10178-85. Определены оптимальные режимы работы мельницы для получения цементов марок ПЦ400 и ПЦ500 с наилучшими показателями по совокупности их свойств. 3. Установлено, что частицы цемента центробежно-ударного измельчения обладают высокой дефектностью, наблюдаются острые грани подобно частицам цемента струйного помола. Частицы более однородны по форме, что предотвращает их агрегацию и может способствовать снижению водопо-требности бетонных смесей и строительных растворов. 4. Экспериментально установлено, что цементы центробежно-ударного измельчения обладают более узким зерновым составом {п-1,095-1,412). Значения коэффициента равномерности зернового состава п современных товарных цементов не превышает 1,25. 5. Вследствие более узкого зернового состава цементы центробежно ударного измельчения имеют более низкие значения тонкости помола (по ос 75 татку на сите №008), удельной поверхности, водопотребности цементно песчаного раствора, прочностных характеристик в начальные сроки твердения; несколько большие нормальную густоту цементного теста и интервал времени между сроками схватывания. 6. Увеличение тонины помола цемента (уменьшение Хе) приводит к повышению прочностных характеристик цементов в различные сроки твердения. Более узкий зерновой состав цемента при стабильной тонине помола (повышение п при Xe=consf) приводит к повышению прочности в марочном возрасте и понижению прочности в начальные сроки твердения. Сравнительный анализ полученных в работе цементов с цементами традиционного измельчения показывает, что идентичную марку цемента можно получить путем перераспределения параметров зернового состава: понижая тонину помола и увеличивая узость зернового состава (одновременно увеличивая Хе и п).
Влияние режимов измельчения центробежно-ударной мельницы на зерновой состав цемента
Методом планирования эксперимента получены зависимости показате лей зернового состава и строительно-технических свойств цементов от ре жимов работы мельницы. Полученные данные позволяют обеспечить режи мы работы мельницы для получения цементов с заданным зерновым соста вом и строительно-техническими свойствами. Определены оптимальные ре жимы работы мельницы для получения цементов марок ПЦ400 и ПЦ500 с наилучшими показателями по совокупности их свойств. 2. Установлено, что частицы цемента центробежно-ударного измельче ния обладают высокой дефектностью, наблюдаются острые грани подобно частицам цемента струйного помола. Частицы более однородны по форме, что предотвращает их агрегацию и способствует снижению водопотребности бетонных смесей и строительных растворов. 4. Экспериментально установлено, что при центробежно-ударном спосо бе измельчения цемент характеризуется узким зерновым составом со степе нью однородности «=1,10-1,41 и изометрической формой частиц. Значения коэффициента равномерности зернового состава п современных товарных цементов не превышает 1,25. Вследствие более узкого зернового состава це менты центробежно-ударного измельчения имеют более низкие значения тонкости помола (по остатку на сите №008), удельной поверхности, водопо требности цементно-песчаного раствора, прочностных характеристик в на чальные сроки твердения; несколько большие нормальную густоту цемент ного теста и интервал времени между сроками схватывания. 5. Увеличение тонины помола цемента (уменьшение Хе) приводит к по вышению прочностных характеристик цементов в различные сроки тверде ния. Более узкий зерновой состав цемента при стабильной тонине помола (повышение п при Xe=consf) приводит к повышению прочности в марочном возрасте и понижению прочности в начальные сроки твердения. Сравнитель ный анализ полученных в работе цементов с цементами традиционного из 97 мельчения показывает, что идентичную марку цемента можно получить путем перераспределения параметров зернового состава: понижая тонину помола и увеличивая узость зернового состава (одновременно увеличивая Хе и п). 6. Бетонные смеси на цементах, полученных в МЦ, вследствие более узкого гранулометрического состава их, отличаются меньшей водопотребно-стью (для смесей с ОК=6-8 см на 4-6 л/м ) и меньшим расходом цемента (на 7-13 кг/м3) по сравнению с аналогичными смесями на товарных цементах МЦОЗа; 7. Бетоны на основе цементов центробежно-ударного измельчения вследствие более узкого гранулометрического состава и, следовательно, пониженного содержания мелких зерен, твердеют в начальные сроки (1-3 сут) медленнее (прочность бетона на 3-6% ниже) по сравнению с аналогичными бетонами на товарных цементах МЦОЗа. По причине несколько пониженной водопотребности бетонных смесей на основе цементов, полученных в МЦ, бетоны на основе цементов центробежно-ударного измельчения превосходят по морозостойкости (по количеству циклов) на 6-19% бетоны на основе товарных цементов МЦОЗа. По физико-механическим, деформативным и эксплуатационным свойствам бетоны на цементах, полученных в МЦ, не уступают аналогичным бетонам на товарных цементах МЦОЗа и удовлетворяют требованиям СНиП 2.03.01-84 для заданных классов бетона на сжатие. 8. Технология измельчения с использованием центробежно-ударной мельницы является энергосберегающей по сравнению с традиционной. Применение технологической системы измельчения на основе МЦ позволяет экономить 10,5-30%) энергии по сравнению с системой, включающей в себя трубную мельницу. У помольной системы на основе МЦ значительно снижены металлоемкость и удельный уровень износа.
Подбор составов тяжелого бетона
С целью установить, какие отличия имеют бетоны на основе цементов центробежно-ударного измельчения от бетонов на товарных цементах, установлены зависимости прочности бетонов на основе товарных цементов МЦОЗа от цементно-водного отношения. Экспериментально установлено, что зависимости прочности бетонов на основе товарных цементов МЦОЗа от цементно-водного отношения и аналогичные зависимости для цементов, полученных в МЦ (рис. 4.1 и 4.2), совпадают. Зависимости совпадают по причине равной активности цементов.
Используя данные рис. 4.1 и 4.2, а также экспериментальные данные по установке водопотребностей бетонных смесей с осадкой конуса 6-8 см и их средней плотности (рис. 4.4 и 4.5), были определены составы бетонов на основе цементов различного способа помола (табл. 4.3). Данные табл. 4.3 свидетельствуют, что равноподвижные (ОК=6-8 см) бетонные смеси на равнопрочных цементах имеют одинаковые Ц/В-отношения и равные плотности. Однако смеси на цементах центробежно ударного измельчения, вследствие более узкого зернового состава их по сравнению с цементами шарового измельчения, имеют несколько меньшую водопотребность (на 4-6 л/м3), что обеспечивает снижение расхода вяжущего на 7-13 кг/м3. Это, как указывалось в главе 3, обусловлено однородной формой частиц цементов центробежно-ударного измельчения, препятствующей их агрегации. Кроме того, цементно-песчаные растворы на основе цементов, полученных в МЦ, обладают меньшей водопотребностью. Более узкий гранулометрический состав цементов центробежно-ударного измельчения, а вследствие этого пониженное содержание частиц мелкой фракции, обусловливает замедленное твердение в ранние сроки. Так, на рис. 4.6 приведена кинетика твердения бетона класса В15 на исследуемых цементах. Кинетика твердения бетонов класса В15, П2 Из приведенных данных видно, что в возрасте 1-3 сут прочность бетона на цементе, полученном в МЦ, на 3-6% меньше, чем у бетона на товарном цементе МЦОЗ. К проектному сроку (28 сут) прочности бетонов выравниваются. Эти результаты хорошо согласуются с данными рис. 3.21. Такой характер кинетики роста прочности бетона связан с высоким содержанием в цементах, полученных в МЦ, частиц размером 5-30 мкм, наличие которых и обусловливает нормативную прочность бетона. Бетонные образцы, составы которых приведены в табл. 4.3, после 28 суточного твердения в нормальных условиях подвергали испытаниям на сжатие, раскалывание, определение призменной прочности (табл. 4.4). Результаты испытания образцов свидетельствуют, что бетоны на цементах центробежно-ударного измельчения по средней и призменной прочности на сжатие имеют показатели не ниже стандартных показателей, устанавливаемых СНиП 2.03.01-84 для заданных классов бетона по прочности на сжатие и не уступают аналогичным показателям бетонов на основе товарных цементов. Принимая во внимание, что прочность бетонов на местных материалах на раскалывание превышает прочность его на осевое растяжение примерно в 1,7 раза, можно утверждать, что прочность бетона на осевое растяжение также удовлетворяет требованиям СНиП 2.03.01-84 для заданных классов бетона на сжатие (В 15, В25, ВЗО) и соответствует классам Bt08,Btl,6. Деформативные свойства Для определения начального модуля упругости изготавливались образцы-призмы на основе бетонов, составы которых приведены в табл. 4.3. Устанавливались зависимости относительного напряжения 5/Rnp от относительных деформаций. На основе зависимостей рассчитаны значения начальных модулей упругости (табл. 4.5). Из табл. 4.5 следует, что величина начального модуля упругости бетонов на основе цементов центробежно-ударного измельчения не ниже аналогичного показателя для товарных цементов МЦОЗ. По начальному модулю упругости бетоны на основе цементов различного измельчения удовлетворяют требованиям СНиП 2.03.01-84. Морозостойкость исследованных бетонов определяли ускоренным способом по 2-у методу испытаний (ГОСТ 10060.0-95). Перед испытаниями образцы (контрольные и экспериментальные) насыщали в 5% растворе хлористого натрия. Оттаивание замороженных образцов в процессе испытания также производили в 5% растворе хлористого натрия. По мере появления на образцах дефектов (трещины, околы, щелущения) испытания прекращали, а образцы испытывали на сжатие. Марку по морозостойкости устанавливали по табл. 5.2 ГОСТ 10060.0-95. Результаты определения морозостойкости бетонов представлены в табл. 4.6. Значения в скобках соответствуют количеству циклов попеременного замораживания и оттаивания. .
