Меню

Влажность шлама для цемента



ПУТИ СНИЖЕНИЯ ЭНЕРГОЗАТРАТ НА ПЕРЕРАБОТКУ СЫРЬЯ ПРИ МОКРОМ СПОСОБЕ ПРОИЗВОДСТВА ЦЕМЕНТА

В связи с особенностями сырья, используемого цементными заводами СНГ, более 80 % выпускаемого цемента производится мокрым энергоемким способом.

Исследования, проектные и конструкторские проработки перевода цементных заводов с «мокрого» способа на «сухой» показали, что реализация этих предложений для потенциально возможных заводов требует значительных капиталовложений.

На ряде цементных заводов, использующих мел в качестве основного карбонатного компонента сырьевой смеси, получение стабильной влажности сырьевого шлама является одной из главных задач технологического процесса.

Различие в вещественных составах и свойствах используемых мелов приводит к отклонениям (на 3 и более %) по влажности нормальных по химическому составу шламов, даже при использовании мелов с одинаковым содержанием карбонатов Са и Мg и, кроме того, влияет на реакционную способность смеси.

Результаты наших исследований показали, что практически для всех мелов, а также мелово-глинистых шламов, прослеживается зависимость влажности шламов от титра мела – с его увеличением влажность шлама снижается.

Для ряда разновидностей мелов равнозначных титров, приготовленные на их основе меловые шламы имеют различную влажность при идентичности остальных параметров (растекаемость, гранулометрический состав). Причина указанного несоответствия связана с особенностями мела, заключающаяся в том, что его свойства и, в первую очередь, гидрофильность зависит от состава его карбонатной части, дисперсности, величины активной поверхности, жесткости коагуляционной структуры, количества примесей в меле и их химического и минералогического состава, наличия аморфного кремнезема и др.

Так, в пределах одного содержания СаО в меле с увеличением соотношения SiО2 к Аl2О3 влажность меловых шламов понижается. Кроме примесей гидрофильность мелов определяется также соотношением между содержанием в них кальцита и остатков микроорганизмов (органогенной части), причем карбонаты Са органического происхождения имеют в воде отрицательный заряд, а неорганического – заряжены в воде положительно. Совокупность приведенных и других факторов обуславливает толщину гидратных оболочек вокруг частиц мела, определяющих величину влажности меловых шламов.

Большое влияние на величину влажности приготавливаемых мелово-глинистых шламов оказывает химический и минералогический состав глинистого компонента. При этом следует подчеркнуть, что вследствие неаддитивности свойств влажность мелово-глинистых шламов, получаемых при совместной переработке мела и глины, всегда будет (на 5-10 %) ниже, чем влажность шлама, полученного при раздельном приготовлении мелового и глинистого шламов и последующего их смешения.

Практически результаты проведенных исследований реализуются посредством разработки технологической схемы оперативного прогнозирования и стабилизации влажности получаемых цементно-сырьевых шламов в зависимости от химического и минералогического состава исходного сырья.

Основу системы прогноза составляет пакет программ для ЭВМ, способных вычислять составы сырьевых смесей и их технологических характеристик по данным анализов исходных сырьевых компонентов. Исходными данными служат результаты химических анализов проб сырья, полученных из скважин эксплуатационной разведки месторождения, составляющие базу данных, которая нуждается в периодической корректировке на основе опережающего контроля сырья. В случае необходимости предусматривается осуществить предварительное шихтование добываемого сырья непосредственно на карьере.

Таким образом, в результате выполненных расчетов можно получить оперативный технологический регламент режима работы сырьевого передела на заданный период времени, обеспечивающий стабилизацию требуемых технологических параметров.

Следующим этапом сырьевого передела является переработка добытого цементного сырья.

Благодаря работам, проведенным «Укрдицементом», «Южгипроцементом» и «Гипроцементом» практически на всех цементных заводах бывшего Союза были внедрены мельницы мокрого самоизмельчения «Гидрофол».

Опыт эксплуатации этих мельниц при переработке различных сырьевых материалов показал, что они являются надежными и высокопроизводительными агрегатами для первичного измельчения цементного сырья и приготовления грубомолотых сырьевых шламов. Применение таких мельниц исключает стадию дробления сырья, уменьшает количество единиц перерабатывающего оборудования, значительно снижает затраты по переделу переработки сырья.

Вместе с тем, для получения кондиционного по тонкости помола шлама необходимо последующее его доизмельчение в шаровых мельницах. Для решения проблемы получения кондиционного шлама в одном агрегате были проведены работы по созданию на базе полупромышленной мельницы «Гидрофол» агрегата, сочетающего в себе функции первичной и вторичной переработки.

Результаты проведенных испытаний на созданной установке показали, что совмещение камер первичного измельчения и камеры домола, загруженной мелющими телами дает возможность получить в одном агрегате кондиционный по тонкости помола шлам из мягкого и твердого сырья.

Эти результаты положены в основу разработки исходных данных для составления технического задания машиностроителям на создание опытного образца мельницы «Гидрофол» совмещенной с камерой домола. В качестве базовой для создания промышленной установки принята мельница «Гидрофол» типа ММС-7 х 2,3 м. Расчетная производительность установки по смеси мела и глины в зависимости от свойств сырья составит 450-500 т/час по сухому (кондиционному по тонкости помола) материалу. Расчет производился по аналоговому принципу, базирующемуся на данных полупромышленных и промышленных испытаний по уточненной нами (применительно к условиям цементного производства) формуле К.А.Разумова:

где значения показателей степени «n» составляют: для известняков – 0,69; для мергеля – 0,6; для мела – 0,57; для глины – 0,3.

Создание такого совмещенного агрегата позволит:

  • совместить стадии дробления, предварительного и тонкого измельчения в одной установке;
  • снизить численность обслуживающего персонала;
  • снизить количество основного и вспомогательного оборудования;
  • снизить удельные затраты электроэнергии на переработку сырья.

Так, по предварительным расчетам, за счет совмещения процессов переработки сырья экономия электроэнергии на одну технологическую линию с печью 5 х 185 м составит 4,8 млн. кВт в год.

Одним из локальных приемов снижения расхода электроэнергии и эксплутационных затрат на переработку сырья и приготовление шламов является также и их гидравлическая классификация в гидроциклонах. Нами в течение ряда лет проводились работы по исследованию и промышленному внедрению гидроциклонов на цементных заводах, использующих в качестве карбонатного компонента мела и мергели (Амвросиевском, Балаклейском, Белгородском, Себряковском, Бахчисарайском и других цементных заводах). Результаты промышленных проверок и данные эксплуатации гидроциклонов показали возможность снижения на 40-50 % расхода мелющих тел и электроэнергии на помол сырья.

Однако предварительная гидравлическая классификация цементно-сырьевых шламов не стала постоянно действующим фактором в технологических схемах цементных заводов в связи с рядом обстоятельств:

  • сравнительно быстрым износом некоторых конструктивных узлов гидроциклонов, изготавливаемых из неизносостойких материалов;
  • необходимостью установки насосов, обеспечивающих стабильное давление шлама на входе в гидроциклон в пределах 5-6 атм, а также осуществления соответствующего наблюдения и контроля за их работой;
  • низкая стоимость электроэнергии в бывшем Союзе.

Учитывая резко изменившуюся ситуацию в экономике предприятий, в обеспечении их электроэнергией и ее стоимости, нам представляется, что в сложившихся условиях цементным заводам с целью снижения энергозатрат следует использовать в технологических схемах приготовления шламов предварительную их гидравлическую классификацию с применением гидроциклонов. Тем более, что их приобретение и установка потребует незначительных капитальных затрат.

Читайте также:  Карьеры для производства цемента

Гидравлическая классификация шламов из твердых пород цементного сырья в гидроциклонах практически не осуществлялась. Это вызвано тем, что в процессе разделения шлама по гранулометрическому составу происходит также резкое разделение продуктов верхнего и нижнего сливов по влажности. В связи с указанным, некондиционная часть шлама (нижний слив), поступающая на домол в мельницу, по мере измельчения теряет свою текучесть, что приводит к нарушению режима работы сырьевой мельницы и для его стабилизации требуется дополнительная подача воды, приводящая к повышению общей влажности готового шлама.

В «Укрдицементе» разработана технологическая схема, позволяющая стабилизировать процесс по влажности готового шлама с использованием гидроциклонов для классификации шламов из твердых пород.

Что касается абразивного износа гидроциклонов (особенно при классификации шламов из твердых пород), то в Украине в настоящее время имеются предприятия изготавливающие гидроциклоны и отдельные узлы и детали к ним из износостойких материалов.

Кроме того, по данным информации Европейского представительства фирмы KREBS (США) она поставит гидроциклоны из различных типов износостойких материалов.

В случае необходимости институт «Укрдицемент» может оказать помощь цементным заводам в реализации приведенных выше технических решений.

Источник

Расчет состава цементной сырьевой смеси и ее приготовление для получения сырьевого шлама

Для исследования были выбраны сырьевые материалы различных цементных заводов: ЗАО «Белгородский цемент» (месторождения мел – «Полигон», глина – «Черная Поляна»). В ходе лабораторной работы возможно использование различных сырьевых материалов, других месторождений.

Примерный химический состав исследованных компонентов представлен в таблице 7.1.

Характеристика сырьевых компонентов различных цементных заводов (мас. %)

Расчет шихты и минералогического состава клинкера для производства портландцементного клинкера проводят при наличии программы «ШИХТА2. Расчет сырьевой смеси» (v.1.3), разработанная специально для кафедры ТЦКМ БГТУ им. В.Г. Шухова.

По полученным расчетам готовим сырьевую смесь в количестве 500-1000 г из предварительно измельченных до Sуд≈3000 см 2 /г и высушенных сырьевых компонентов. Известняк (мел), глина и корректирующая добавка отвешиваются на технических весах в необходимом количестве с точностью до 0,01 г, после чего тщательно перемешиваются в фарфоровой ступке, либо в лабораторной шаровой мельнице в течение 30 минут. После перемешивания сырьевая смесь пересыпается в пластиковые бутылки с пробками и помещается на хранение. В дальнейшем приготовленная сырьевая смесь используется для определения ее важнейших технологических характеристик.

Для приготовления шлама необходимо взять 50 г. Сухой сырьевой смеси и затворить рассчитанным количеством воды для заданной влажности шлама.

Пример расчета: необходимо приготовить шлам с 40 % влажности. Для этого к 50 г. сухого шлама необходимо прилить 33,3 мл воды. ,или 33,3 мл

Определение влажности шлама

Влажность – это содержание влаги в материале в данный конкретный момент, отнесенное к единице массы материала в сухом состоянии.

От средней пробы шлама отвешивают 10 г с точностью до 0,01 г на предварительно взвешенной фарфоровой чашке. Навеску а чашке помещают в сушильный шкаф и сушат при температуре 120° С до тех пор, пока холодное стекло, приближаемое к пробе, не запотеет. Это показывает, что высушивание закончилось.

Влажность шлама определяется по формулам:

где W – относительная влажность шлама, Wа – абсолютная влажность шлама, %; m – масса пустой чаши, г; m1 – масса чаши с навеской влажного шлама, г; m2 – масса чаши, с высушенным до постоянной массы шлама, г.

Относительная влажность характеризует процентное содержание влаги в пересчете на абсолютно сухой шлам.

За влажностью шлама, подаваемого в печь, на каждом цементном заводе должен быть установлен ежечасный контроль.

Источник

Применение минеральных шламов в строительных растворах и бетонах

Авторы: О.В. Тараканов, д-р техн. наук, проф., Т.В. Пронина, асп.

Пензенский государственный университет и архитектуры и строительства.Россия

Важнейшей задачей промышленности строительных материалов является разработка и внедрение эффективных, ресурсосберегающих технологий производства, экологически чистых материалов, изготавливаемых по малозатратным, безотходным технологиям с максимальным использованием местного сырья и техногенных отходов промышленности.

В последние десятилетия все большее внимание ученых привлекают крупнотоннажные побочные продукты и отходы различных отраслей промышленности с целью использования их в строительстве.

Значительную группу техногенных продуктов составляют минеральные шламы, образующиеся при нейтрализации заводских стоков предприятий химической, машиностроительной, химико-фармацевтической, стекольной и других отраслей промышленности, а также в процессе химической подготовки и осветления воды на предприятиях энергетического комплекса. В большинстве случаев минеральные шламы представляют собой ультрадисперсные, гетерогенные системы, которые в процессе последующей коагуляции и обезвоживания осаждаются и в отдельных случаях образуют структуры твердения. Высокая дисперсность и стабильный химический состав некоторых шламов открывают широкие перспективы применения их в качестве минеральных микронаполнителей и химических активаторов гидратации и структурообразования цементных и композиционных материалов.

Теория и практика строительного материаловедения свидетельствуют о том, что цементные растворы и бетоны постепенно переходят из разряда 4-5 компонентных систем в разряд 7-8 и более компонентных систем, наполненных модификаторами различного функционального назначения.

Преимущество структуры цементной матрицы с микронаполнителем заключается в том, что в ней создаются благоприятные условия для формирования межчастичных контактов, во многом определяющих прочность материала. В таких структурах локализуются внутренние дефекты и снижается концентрация напряжений, возникающих в процессе гидратации и твердения.

При рассмотрении механизмов повышения прочности наполненных цементных систем, особенно при использовании тонкодис­персных химически активных наполнителей, особое внимание должно уделяться изучению процессов гидратации, структурообразования и кристаллизации, обеспечивающих, в конечном итоге, прочность и основные свойства твердеющих композитов.

В технологии современных растворов и бетонов все большее значение приобретают высокотехнологичные смеси, модифицированные суперпластификаторами (СП) и комплексными добавками на их основе.

Известно, что тонкомолотые минеральные порошки, полученные на основе природных материалов, и тонкодисперсные техногенные шламы, в отличие от цементных систем в значительной большей степени подвержены разжижающему влиянию суперпластификаторов. Это объясняется тем, что минеральные порошки, являющиеся инертными по отношению к воде, не проявляют гидравлической активности и, следовательно, не связывают воду в гидраты на ранних этапах гидратации. Минералы цементного клинкера и, особенно, алюминатные фазы с первых секунд водозатворения образуют гидраты, включающие в свою структуру большое количество молекул воды (С 2 АН 8 , САН 10 , С 4 А (F) H 13 , C 4 A (F) Н 19 и др.), снижая тем самым эффективность действия практически всех пластификаторов и СП.

Введение в цементные системы тонкодисперсных минеральных наполнителей, инертных по отношению к воде, позволяет создавать необходимые реологические условия для получения высокотехнологичных и удобоукладываемых смесей и формирования плотно упакованных структур твердения. Высокая плотность структуры может быть достигнута за счёт введения в систему 2-3 фракций минеральных микронаполнителей, близких друг к другу по кристаллохимическому строению, и наиболее целесообразным в этом случае является использование микронаполнителей, параметры кристаллических структур которых соизмеримы с аналогичными параметрами гидратных фаз цементных систем.

Читайте также:  Цемент м600 технические характеристики

Значительный научный и практический интерес представляют исследования процессов гидратации и твердения цементных материалов с добавками на основе карбоната кальция. Во многих исследованиях, касающихся механизмов гидратации и твердения цементных систем, наполненных тонкодисперсным кальцитом, отмечается значительное повышение прочности и улучшение других физико-механических свойств материалов. Однако механизмы карбонатной активации гидратации цементных систем, протекающие на молекулярном уровне, исследованы недостаточно.

Исследования механизмов активирующего действия тонкодисперсных карбонатных наполнителей с помощью методов рентгенеструктурного анализа позволяют выявить некоторые аспекты карбонатной активации гидратированных цементных систем и характер образования гидратов в присутствии микронаполнителей.

С целью определения влияния карбонатного микронаполнителя на состав продуктов гидратации цементных систем была проведена серия рентгенофазовых исследований минералов цементного клинкера и цемента, гидратированных в присутствии тонкодисперсного кальцита. В качестве микронаполнителя был принят карбонатный шлам, образующийся на предприятиях энергетики в процессе химической подготовки воды, в состав которого входят тонкодисперсный кальцит (Syfl = 15-17 тыс. см2/г) и остаточное количество гидроксида железа.

Анализ состава продуктов гидратации C 3 S и (3-C 2 S с добавками карбонатного шлама показал, что в присутствии тонкодисперсного кальцита происходит активация гидратации силикатных фаз цемента с образованием из­быточного количества извести и формированием тоберморитоподобных гидросиликатов кальция. Об этом свидетельствует снижение интенсивности линий безводных силикатных минералов на рентгенограммах гидратированных C 3 S и p-C 2 S, увеличение интенсивности линий Са(ОН) 2 (4,93; 2,63; 1,93 А и др.) и отражений, характерных для тоберморитового геля (3,05; 2,82 А).

Аналогичные выводы получены при анализе результатов рентгенофазовых исследований образцов цементного камня с добавкой карбонатного шлама, твердевших в нормальных условиях в срок до 1 года. Анализ состава продуктов гидратации цемента с добавкой карбонатного шлама свидетельствует о том, что одним из возможных механизмов активации гидратации силикатных фаз является образование гидросиликатных фаз, близких по структуре к тобермориту и ксонотлиту. Отражения, характерные для этих гидратов, отмечены в области малых углов (до 15°) на рентгенограммах цементного камня в возрас­те 60 сут.

В сложной системе Si0 2 -CaO-H 2 0 невоспроизводимость большинства твёрдофазовых реакций связана не только с особенностями конденсационных и кристаллизационных процессов при формировании гидросиликатов кальция, но и с огромной ролью дефектов структур различных видов и уровней. Одни и те же реакции с участием одних и тех же реагентов, протекающих при равных условиях, могут давать совершенно различные продукты. Дефекты могут существенно изменять скорость диффузионных процессов, влиять на возникновение зародышей кристаллизации и, в целом, на реакционную способность реагентов. Кроме того, в силикатных системах могут формироваться не только структуры с вполне определёнными параметрами кристаллических решёток и порядком кон­денсации кремнекислородных тетраэдров, но также смешанные и родственные структуры. Во многом формирование той или иной структуры зависит от «подвижности» атома кремния в структуре Si0 4 и способности тетраэдров приспосабливаться к электронному строению катионов и анионов, присутствующих в системе. Малейшее неуравновешенное смещение электронной плотности на связях —Si—О—, -Са-О- или в мостиках -Са-O-Si- и др. вследствие поляризационного влияния ионов может изменить ход и порядок конденсационных процессов. Это доказывается многочисленными ренгенофазовыми и дру­гими исследованиями гидратированных силикатных и цементных систем.

На основании выполненных рентгенофазовых исследований продуктов гидратации цементного камня в присутствии карбонатного шлама можно сделать заключение, что одним из основных механизмов повышения прочности цементных систем является активация образования гидросиликатов кальция и двойных солей на их основе с различной структурой и степенью конденсации кремнекислородных анионов. В присутствии катионов Al 3+ , Fe 3+, Na + , K+ , анионов SO 2- 4 , CO 2- 3 , и других имеющихся в составе шлама формируются напряжённо-деформированные (легированные) структуры гидросиликатов кальция, прорастающие друг в друга, уплотняющие систему и способствующие значительному повышению прочности.

Результаты рентгенофазовых исследований продуктов гидратации С 3 А свидетельствуют об активации образования в присутствии карбонатного шлама метастабильных гидроалюминатов кальция С 4 АН 19 , САН 10 и гидроалюминатов кубической структуры С 3 АН 6 . Установлено также стабильное при­сутствие в системе гидрокарбоалюмината кальция-ЗСаО*А1203*СаС03-12Н20(ГКАК-1). Однако при повышенных дозировках шлама (более 5% от массы вяжущего) на рентгеног­раммах отмечается стабильное появление линий кальцита, свидетельствующее о том, что часть СаС03 находится в несвязанном состоянии.

Значительное увеличение полуширины пиков гидратов ЗСаОАl 2 0 3 -СаС0 3 *12Н 2 0 и Са(0Н) 2 , отмеченное при анализе рентгенограмм С3А с добавкой карбонатного шлама, характеризует возможность искажения кристаллических решеток этих соединений. Подобное явление может быть объяснено встраиванием в структуру ГКАК-1 ионов Al 3+ , Мg 3+ и других, присутствующих в шламе. В наполненных системах при определенных условиях между частицами дисперсных кристаллических структур, например, Са(ОН) 2 и СаС0 3 , имеющих близкие параметры элементарной ячейки, могут возникать контактно-кристаллизационные взаимодействия, в результате которых кристаллы могут срастаться по определенным плоскостям с образованием прочных структур.

Аналогичное явление отмечается для гидратов AFm-фаз, кристаллы которых при определенных условиях могут зарождаться на поверхности тонкодисперсного кальцита и образовывать структуры срастания по бездефектным плоскостям с близкими параметрами элементарной ячейки.

Установлено, что состав продуктов AFm-фаз цементного камня с добавкой карбонатного шлама представлен на ранних стадиях эттрингитом и на более поздних — гидросульфоалюминатом кальция моносульфатной формы (МГСАК), гидрокарбоалюминатами кальция и гидратами AFm-фаз. Разрушение эттрингита может происходить с образованием сложных радикалов, в которых место группы SO 4 2- могут занимать ОН-группы, однако при одновременном присутствии в системе анионов SO 4 2- и С0 3 2- образовавшийся комплекс может снова перейти в эттрингит, либо в гидрокарбоалюминат кальция 3CaO*AI 2 0 3 *3CaC0 3 *32H 2 0 (ГКАК-3). Отражения, характерные для ГКАК-3, отмечены на рентгенограммах цементного камня с добавкой карбонатного шлама. При избытке в системе Са(ОН) 2 сложные радикалы могут реагировать с анионами SO 4 2- и С0 3 2- с образованием таумасита.

Кристаллы САН 10 , имеющие форму гексаго­нальных призм, так же как и кристаллы эттрингита, на ранних стадиях твердения армируют и упрочняют систему. Очевидно, что одной из причин повышения пластической ранней прочности цементных систем в присутствии карбонатных шламов является активация образования гидратов AFm и A Ft — фаз. Установлено, что в цементной системе с добавкой тонкодисперсного кальцита формируются не только устойчивые структуры гидросульфо-алюминатов кальция и гидратов AFm-фаз, но и активируется образование гидрокарбоалю-минатов кальция (ГКАК-3 и ГКАК-1). Кроме того, в присутствии гидратов САН 10 , AI(OH) 3 и Са(ОН) 2 возможно вторичное формирование эттрингита, а при избытке СаС0 3 — образование 3CaO*AI 2 0 3 * 3CaC0 3 *32H 2 0 и ЗСаО*Аl 2 0 3 -СаС0 3 -12Н 2 0.

Читайте также:  Ультразвуковой анализатор цемента 4262

Вместе с тем следует отметить, что сформированные на раннем этапе твердения метастабильные гидроалюминатные фазы (С 4 АН 13_19 , С 2 АН 8 , САН 10 ) со временем в зависимости от условий твердения могут перекристаллизовываться в наиболее стабильную кубическую фазу С 3 АН 6 . Перекристаллизация вызывает уменьшение объёма твёрдой фазы и соответственно увеличение пористости материала, что ведёт к временному снижению прочности. Однако в большинстве случаев это снижение незначительно и компенсируется высокой прочностью силикатных фаз цементного камня.

Анализ фазового состава с учётом вышеприведённых данных в определённой степени позволяет судить о характере поведения цементных материалов и предвидеть возможность снижения прочности вследствие перекристаллизации гидроалюминатных фаз. Однако при этом следует учитывать характер изменения пористости материала, поскольку известно, что более плотные гидроалюминатные структуры дают меньшую прочность, чем менее плотные, при высокой пористости, но более высокую прочность при меньшей пористости.

Рассматривая возможность химического взаимодействия карбоната кальция с продуктами гидратации цемента, следует иметь в виду чрезвычайно широкое разнообразие габитусов кристаллов кальцита, что позволяет последним служить хорошей подложкой для наращивания гидратных новообразований цементного камня.

Таким образом, в присутствии карбонатного шлама создаётся плотная структура цементного композита, которая на ранних стадиях упрочняется вследствие активации процессов образования гидратов AFm и A Ft -фаз и на более позднем этапе — вследствие кристаллизации гидроортосиликатов кальция с различной структурой и степенью конденсации кремнекислородных тетраэдров. Выделение из структуры композита сверхструктуры пластинок, призм, игл, волокон, сеток и т. д., способствует повышению прочности цементного камня (рис. 1). Гидросиликаты кальция это неустойчивые, активные и химически независимые образования. Обладая большой реакционной способностью, гидросиликаты кальция связывают в единую структуру все компоненты твердеющей системы. Чем более когерентно связаны метастабильные кристаллы выделяющейся фазы, тем выше прочность материала.

В цементных системах с минеральными микронаполнителями при оптимальном количестве жидкости создаются благоприятные условия для формирования межчастичных контактов срастания в стеснённых условиях, обеспечивающих высокую плотность и прочность структуры уже на ранних этапах гидратации. В начальный период твердения в процессе физического и химического связывания воды частицами цемента происходит непропорциональный прирост объема твердой фазы и геометрические размеры частиц увеличиваются при одновременном уменьшении толщины водных прослоек между ними. В присутствии минеральных наполнителей связывание воды затворения происходит в меньшей степени, а процесс твердения обеспечивается за счет сближения частиц и кристаллизации гидратов из пересыщенных растворов не только на поверхности цементных частиц, но и в точках соприкосновения, а также на поверхности минеральных частиц. В такой структуре происходит активация гидратационных процессов и создается возможность наращивания гидратов, близких по параметрам кристаллических структур к структуре кальцита, на активных гранях карбонатного наполнителя.

При высоких пересыщениях в наполненной цементной системе и малых зазорах между частицами, в местах контактов вследствие разности пересыщения в зонах контактов и вне их развивается градиент концентрации, способствующий образованию кристаллизационных мостов между смежными частицами (рис. 2), приводящих к срастанию частиц и значительному повышению прочности.

Анализ основных направлений развития теории и практики многокомпонентных бетонов нового поколения свидетельствует о том, что для получения высокопрочных материалов в качестве одного из основных компонентов полифункциональных модификаторов используется микрокремнезем или другие ультрадисперсные минеральные компоненты, позволяющие связать гидратную известь в гидросиликатную матрицу композита, обеспечивая при этом дополнительный прирост прочности.

Наиболее эффективными являются минеральные микронаполнители (например, тонкомолотая каменная мука), которые, наряду с высокой реологической способностью по отношению к суперпластификаторам, будут обладать химической активностью в гидратирующейся цементной системе. Каменная мука, полученная из кремнеземсодержащих плотных природных материалов, может быть использована в технологии высокопрочных бетонов, в количестве до 50% от массы цемента. При этом количество цемента в составах с микронаполнителем не снижается, вследствие чего улучшаются не только реологические характеристики бетонных смесей, но повышается плотность и прочность бетона, а, следовательно, морозостойкость, непроницаемость и коррозионная стойкость. Менее плотные, в том числе карбонатные породы и минеральные шламы, могут быть использованы для повышения плотности и прочности растворов и бетонов средних классов по прочности. С использованием подобных минеральных микронаполнителей могут быть получены бетоны с высокими эксплуатационными свойствами, причем из бетонных смесей высокоподвижной и литой консистенции на обычном ПЦ400, при расходе цемента до 500 кг/м3и заполнителях из обычных горных пород.

Исследования влияния минеральных шламов на процессы гидратации и твердения цементных растворов и бетонов, выполненные совместно с анализом механизмов действия шламов на различных уровнях и стадиях формирования структуры цементных композиций, показали целесообразность применения шламов в цементных строительных материалах в качестве добавок — активаторов твердения растворов и бетонов, улучшающих также реологические и технологические свойства растворных и бетонных смесей.

За последние 15 лет минеральные шламы широко применяются в строительных организациях г. Пензы и области. Только на предприятии ОАО «Жилстрой» в период с 1996 по 2007 г.г. было использовано более 10 тыс. т карбонатных и гипсосодержащих шламов в производстве строительных и штукатурных растворов. Внедрение передовой технологии позволило отказаться от использования в композиционных цементных растворах дорогостоящей извести, подготовка которой требовала больших экономических затрат и строгого соблюдения санитарно-гигиенических условий труда.

Исследования, проведённые на 10 основных видах цементов, используемых в строительстве, показали, что оптимальное количество минеральных шламов в цементных системах составляет 10-15% от массы вяжущего. В этом случае достигается повышение прочности цементных растворов на 20-25%, что позволяет снижать расход вяжущего на 15-20%. Кроме того, значительно улучшаются технологические свойства растворных и бетонных смесей.

Получены экспериментальные данные о влиянии на прочность цементных композиций комплексных минеральных добавок на основе карбонатного шлама и кремнезёмсодержащих местных сырьевых материалов (опока, трепел и др.). В свою очередь, это позволит значительно расширить область применения этих добавок в производстве не только строительных материалов, но и сухих смесей. Проводятся исследования возможности использования карбонатного шлама в смеси с пластифицирующими, воздухововлекающими и другими добавками, а также с супер- и гиперпластификаторами. Перспективным направлением применения карбонатных и смешанных шламов является их использование в технологии пенобетонных конструкций.

С целью расширения масштабов применения минеральных шламов в строительстве разработаны технологические схемы подготовки шламов для использования в этой отрасли, технические условия и рекомендации по применению шламов в производстве строительных растворов.

Массовое вовлечение крупнотоннажных шламовых отходов различных отраслей промышленности в производство строительных материалов становится одной из важнейших задач строительного материаловедения. Решение этой проблемы позволит получать не только высокие экономические эффекты за счёт рационального использования цемента, но и имеет огромное природоохранное значение.

Источник