Технология сухих строительных смесей - многоступенчатая безводная активация компонентов при их производстве

Рассматриваются особенности многоступенчатой технологии активации сухих строительных смесей.

Заводское приготовление ССС определяет изменение свойств компонентов ещё на стадии подготовки до взаимодействия при перемешивании. Прежде всего, это сушка мелкозернистых материалов и заполнителя до влажности не более 0,1-0,5%. При подводе тепловой энергии образующиеся пары отводятся с поверхности твердого материала в окружающую среду при помощи молекулярной, а затем конвективной диффузии. Если испарять влагу с поверхности материала, то процесс сопровождается непрерывным переносом ее из глубинных слоев материала к его поверхности. При небольшой влажности или повышении давления сушильного агента на поверхность испарения влага перемещается вглубь материала и процесс сопровождается диффузией паров через высохший слой.

По уменьшению энергии связи П. А. Ребиндер разделяет влагу на: химически, физико-химически и физико-механически связанную со структурным скелетом материала. Химически связанная влага, удерживаемая молекулярными или ионными связями, при сушке из материала не удаляется. Физико-химическая влага, благодаря адсорбционным силам, наиболее прочно удерживается на поверхности в первом мономолекулярном слое, а по мере удаления от него связь влаги с материалом ослабевает. Физико-механическая влага крупных капилляров и влага смачивания поверхности, имеющие наименьшую энергию, легко удаляются при сушке. Эти массообменные процессы в значительной степени определяют интенсивность сушки и в то же время, благодаря температурному и, как следствие этого, силовому воздействию на структурные и поверхностные слои материала, являются активационными для дальнейшего физического взаимодействия с другими порошкообразными компонентами в процессах перемешивания.

Перемешивание сухих компонентов в ограниченном объеме смесителя - главная технологическая операция, определяющая перераспределение (перенос), диспергирование, гомогенизацию, досушку частиц и создание потенциальных условий, ускоряющих химические превращения в зоне поверхностных, а при затворении водой - и дальнейших межфазных контактов при получении однородных порошковых или порошково- зернистых композиций. В качестве способов смешивания компонентов ССС применяют: пересыпание, перелопачивание, наложение тонких слоев, псевдоожижение и их комбинированные сочетания.

Смешивание твердых сыпучих материалов считалось механическим процессом. Однако в последнее время исследователи выявляют закономерности в механизме перераспределения частиц, соответствующие гидродинамическим задачам. Особенностью, усложняющей изучение и организацию получения однородных сухих смесей, является образование вторичных агрегатов зерен порошка из-за различия физико-химических и физико-механических свойств компонентов, характеризуемых гранулометрическим составом, насыпной массой, формой частиц, силой сцепления между частицами, текучестью, абразивностью, наличием электростатического заряда, а также углами и коэффициентом трения.

Несмотря на широкое использование процесса смешивания сыпучих материалов в различных отраслях промышленности, нет полной ясности работы механизма перемешивания сухих сред. Однако по характеру перемещения зерен при движении смешиваемых зернистых материалов в смесителе выделяют диффузионную и конвективную составляющие процесса распределения.

Диффузионное смешивание сыпучих материалов в режиме движения успешно осуществляется лишь в прилегающих зонах слоев порошков или зернистого компонента. В остальной массе этого не происходит. Для обеспечения перемещения компонентов во всем объеме массы сыпучего материала необходимо разрушить ядро потока, приведя в действие другую составляющую механизма смешивания - конвективную, обеспечивающую перенос материала из пограничного слоя в ядро потока.

Для обеспечения конвективной составляющей механизма смешивания в смесительных аппаратах создают условия, разрушающие ядро потока, путём установки на пути движения компонентов препятствий (например, перегородок, подвижных лопастей, ножей и т. п. устройств) или пересыпкой материала в смешиваемом объёме (например, смешивание в барабанных или центробежных смесителях). Введение конвективной составляющей для диспергирования зерен до однородной массы по размеру их объединений, соизмеримой с толщиной пограничного слоя, позволяет значительно интенсифицировать pacnpеделение компонентов в смешиваемом объёме. Однако высокая эффективность диспергирования достигается лишь в зонах, где градиент скоростей процессов достигает наибольших значений.

При смешивании порошковых материалов одновременно с распределением компонентов в смешиваемом объеме происходит частичное расслоение (сегрегация) зернистого материала. Степень расслоения зависит от физико-механических свойств зернистых материалов и особенностей смесителя.

Смешивание сыпучих материалов иногда проводят путем последовательного наложения тонких слоев с последующим усреднением. Такое смешивание обычно осуществляется в центробежных смесителях непрерывного действия тарельчатого типа. Отличительной особенностью такого процесса смешивания является быстрое раздробление (расчленение) смешиваемых компонентов до размера групп зерен однородного материала, соизмеримое с толщиной пограничного слоя, высокая интенсивность протекания процесса и возможность регулирования соотношения компонентов в смеси. Процесс миграции компонентов при таком смешивании подчиняется также рассмотренным закономерностям.

Смесители по конструктивным особенностям и характеру смешивания могут быть разделены на группы: барабанные, шнековые, лопастные, ленточные, циркуляционные, центробежные, пневматические и вибрационные. Различные конструкции перемешивающих аппаратов сравнивают по интенсивности действия и их эффективности в конкретных технологических условиях. Интенсивность действия перемешивающего аппарата определяется временем, затраченным для достижения заданного технологического результата, а эффективность - затратой энергии для noлучения требуемого технологического результата.

Во всех технических процессах идёт непрерывная цепь энергетических превращений И это по закону сохранения энергии каждой технологической операции отдается энергии ровно столько, сколько она забирает, но уже в другой, «переработанной» форме.

Однако учёт только равновесного принципа перехода (превращения) энергии в разные формы и наоборот - её возврата, по конечному результату свидетельствует о непрерывном «насосном» эффекте двоякого действия, поддерживающем существовавание материи. Как протекают такие переходы и какие требования должны предъявляться потребителем, т.е. конкретной технологией производства, к характеристикам потребляемой энергии, остаётся не ясно.

Оптимизация составов и обеспечение потенциального запаса свойств сухих смесей определяют продолжительность внешнего воздействия (количества энергии) на компоненты смеси в процессе их перемешивания.

Внешняя энергия при воздействии на поверхность цементных и других порошобразных частиц погашает,их поверхностную энергию (которая весьма велика), усиливая действие электростатических сил, благодаря одноименности зарядов разобщает частицы, создавая благоприятные условия для диспергирования и гомогенизации.

В сложившихся условиях технологи уделяют пристальное внимание смесям на кварц-содержащем цементе с химическими добавками. Модифицирование ими отдельных компонентов сухих смесей в процессе их приготовления - важный научный и технологический аспект, основанный на синергетическом эффекте от воздействия энергозатратных технологических факторов - истирания, дробления, помола, механинического перелопачивания, возможно - совместного действия этих явлений и физико-химических свойств добавок различного состава. Технологические параметры по способам модифицирования строительных материалов химическими добавками производители, как правило, в своих проспектах не приводят. А они во многом определяют технологичность получения и объективную стоимость товарной продукции, а главное - гарантированную обеспеченность требуемых в строительном процессе технологических показателей смесей и физико-механических свойств затвердевшего материала.

Учитывая, что композиции строительных смесей гетерогенны, а их гомогенизация с добавками в различные промежутки времени способствует потенциальному созданию различных даже по величине и назначению технологических эффектов, то весьма важным в «сухой технологии» представляется интерес к раздельному порядку введения добавок в рабочий состав. Поскольку добавки могут быть в жидком, твёрдом (порошкообразном, зерновом, кусковом варианте) и даже в виде высоко¬концентрированных паст (например, упаренные концентраты ССБ), технология получения с ними сухих смесей возможна по следующим общим направлениям:
  - для порошкообразных продуктов (вяжущее+наполнитель) - путём одновременного перемешивания (или) помола всех компонентов с добавкой;
  - для смесей с наличием заполнителей - также путём одновременного перемешивания всех составляющих, либо в начале процесса - перемешивание с добавкой одного или двух заполнителей + вяжущее, либо перемешивание (помол) с добавкой вяжущего заполнителя.

Приведённые положения базируются на эффекте повышения поверхностной активности частиц компонентов смеси от механохимического воздействия измельчающих или перемешивающих устройств и свойств органоминеральных веществ, входящих в состав добавок.

К химическим добавкам в сухие смеси на основе кварцсодержащего цемента относят вещества, облегчающие помол зёрен клинкера + кварца или перемешивание заводского цемента + кварцевого наполнителя за счёт:
  - усиления поверхностного эффекта - от взаимного абразивного воздействия;
  - диспергации частиц - от «присадочного» эффекта компонентов добавки;
  - аморфизации поверхности частиц кварца на различную глубину - от пластической деформации, возникающей от удара шаров при помоле, или от аэродинамического давления воздуха, появляющегося среди частиц смеси благодаря распространяющейся тенденции к турбулизации режимов перемешивания порошкообразных и мелкозернистых сред.

Механизм действия ударно-истирающих усилий при помоле на поверхность компонентов смеси заключается, по Б.В. Дерягину, в раскрытии микротрещин добавкой, а после их раскрытия - в препятствии их закрытию. Последнее обстоятельство Г.С. Ходаков объясняет трансформацией первоначального адсорбционного присадочного эффекта в кинетику перераспределения напряжений на поверхности частиц, когда с раскрытием трещин их повышенная поверхностная энергия расходуется на образование плёночного слоя добавки и наступает дальнейшее свободное раскрытие трещин с появлением новых, более мелких частиц, но с уменьшением количества добавки, образуются на частицах цемента и кварца весьма прочные тонкие плёночные оболочки.

Ещё на стадии «сухого» контакта значительно возрастают и изменяются электрокинетические характеристики частиц. При уменьшении толщины плёнок возрастает опасность «старения» органического компонента добавки, а при наличии гигроскопической влаги - сокращаются гарантийные сроки хранения смеси.

Таким образом, для управления технологией получения сухих смесей представляется предпочтительным раздельный способ внесения добавок в смеситель, а выбор порядка введения добавок в процессе перемешивания зависит от их агрегатного состояния, физико-химических свойств компонентов в составе добавки и от интенсивности внешнего воздействия на процесс смешивания.

Учитывая вышеизложенное, нами изучалось влияние известных отечественных добавок на эффективность помола портландцементов и кварцевых наполнителей при одновременном улучшении технологических и технических свойств у строительных растворов и бетонов. Воздухововлечение, пептизация гидратных частиц цемента - для преобразования после твердения в структурный мелкокристаллический каркас и, наконец - возникновение жидкой кремневой фазы, уплотняющей межпоровое пространство с частичным переходом в гидратные соединения с цементом - возможны, прежде всего, за счёт процессов гидрофобизации, ускорения гидратации цемента, растворения аморфизированного кварца при совместном воздействии ударно-истирающих усилий и гидрофобно-ускоряющей добавки. В этом направлении нам представляется оптимальной добавка подмыльного щёлока - отхода мыловаренного производства, содержащая (в % по массе): 0,5-2,0 - жирных омыленных кислот, 7~15 - хлористого натрия, 0,1-0,4 - жидкого натрия и 85~90 - воды. Механизм её действия при получении строительного раствора заключается в следующих процессах и эффектах:
  - в покрытии (гидрофобизации) плёнками жирных кислот мелкого кварцевого заполнителя, поскольку его поверхность при механическом перемешивании заряжается отрицательно с эффективно удерживаемой величиной заряда на частицах со средней крупностью около 0,63 мм, и, благодаря «присадочному» эффекту - притяжению на них пузырьков защемлённого воздуха;
  - в обменной реакции хлористого натрия со свободной известью портландцемента и образовании хлористого кальция, ускоряющего твердение портландцемента;
  - в образовании в жидкой фазе ещё гидрата окиси натрия, способствующего растворению аморфного кремнезёма на поверхности заполнителя и в составе вяжущего.

Для опытов с добавкой были выбраны портландцемент завода «Гигант» активностью 43,0 МПа, кварцсодержащие цементы (П+Ц) составов (1) 70+30%, (2) 50+50%, (3) 34+64%, с активностью соответственно 36,9, 23,8 и 18,0 МПа, песок с Мк=1,94 и содержанием глинистых пылевидных частиц около 1%. Подвижность растворных смесей соответствовала 8-9 см по конусу СтройЦНИИЛа, количество щёлока - 0,1-0,5 г жирных кислот на 1 кг цемента, время перемешивания составляло 3 мин. и затем формовались образцы размером 7,07×7,07×7,07 мм. Растворы на кварцсодержащем цементе состава 70+30% (с наименьшим содержанием клинкера) интенсивно набирали прочность (таблица 1) во все сроки твердения.

Достигнутые кинетика нарастания и значения прочности возможны, благодаря дополнительному уплотнению структуры за счёт продуктов реакций взаимодействия щелочей едкого натрия и гидратной извести цемента с аморфной поверхностью молотого песка и, частично - с зёрнами обычного песка, активированными взаимным абразивным эффектом твёрдых частиц при их перемешивании.

Исследование эффективности добавок суперпластификатора С-3 и модифицированного пластификатора ЛСТМ-2, размолотых совместно с вяжущим на основе портландцемента Подольского завода и кварцевого песка, проводили на бетоне с применением кварцевого песка Сычёвского карьера с Мк=2,7 и гранитного щебня фр 5~20 мм. Оптимальное значение добавок определяли при заданном значении показателя подвижности (ОК=5~6 см) бетонной смеси и фиксированном значении принятом в составе без добавки. В физическом смысле механизм указанного приёма заключался в погашении эффекта пластификации бетонной смеси, благодаря увеличению доли заполнителей (их удельной поверхности) при неизменном соотношении песка и щебня в составе бетонной смеси.

Из подобранных составов формовались образцы размером 10×10×10 см и испытывались на прочность.

Результаты экспериментальных данных для бетона на молотом совместно с добавками С-3 и ЛСТМ-2 кварцсодержащем (в количестве 50%) портландцементе Подольского завода с удельной поверхностью 5200 см²/г приведены в таблице 2.

Проведённые эксперименты показали, что оптимальные количества соответствуют для ЛСТМ-2 - 0,15% и С-3 - 0,6% от массы вяжущего. Расход цемента уменьшился для указанных случаев соответственно на 25-30 и 100-110 кг/м³. В составах с меньшим расходом цемента дозировка для ЛСТМ-2 понизилась до 0,1, а с С-3 повысилась до 0,8%. Анализ других данных свидетельствует о повышенной «присадочности» суперпластификатора на цементных частицах, а с добавкой ЛСТМ-2 ещё и на частицах песка.

В создании сухих смесей важным является использование «эффекта мелких порошков» для раздвижки зёрен цемента, способствующего заполнению образовавшегося пространства продуктами гидратных новообразований цемента. Поэтому применение порошкообразных металлкварцсодержащих промышленных отходов с химическими добавками в сочетании с портландцементом и другими видами вяжущих является фундаментальной основой для производства строительных материалов широкого назначения. Многие производители считают, что кварцсодержащие цементы и сухие строительные смеси на их основе предпочтительно изготавливать при низкочастотных ударных или высокочастотных кавитационных режимах воздействия. В первом случае это шаровые мельницы, во втором - смесители фирмы «Вселуг» с частотой вращения рабочего органа 50 Гц, давлением сжатого воздуха 6 атм.

Выводы:

1. Преимуществом технологий производства сухих смесей является возможность индивидуального, а в необходимых случаях многократного модифицирования их компонентов химическими добавками или механохимической обработкой.
2. К химическим добавкам в сухие смеси на кварцсодержащих цементах относят вещества гидрофобно-ускоряющего действия, облегчающие технологию их получения и обеспечивающие сохраняемость требуемых технологических показателей и механических свойств затвердевшего материала.
3. Из гидрофильных добавок С-3 и ЛСТМ-2 с позиции «присадочного» эффекта ко всем частицам сухой смеси более предпочтителен ЛСТМ-2.
4. Металлкварцсодержащие порошкообразные промышленные отходы, введённые в портландцемент или в сухую смесь, раздвигая их зёрна, способствуют более глубокому процессу гидратации цемента.
5. Кварцсодержащие цементы приготавливают по низкочастотным ударно-истирающим режимам, а сухие смеси - по высокочастотным турбулентным режимам при давлении воздуха до 6 атм.

Библиографический список:
1. Батраков В.Г. Модифицированные бетоны. Теории и практика. - М., 1998.
2. Ходиков Г.С. Физика измельчения.- М.: Наука, 1972.
3. Ратинов В.Б., Иванов Ф.М. Химия в строительстве. - М.: Стройиздат, 1969.