Повышение химической активности портландцементного и глиняного вяжущих дополнительным измельчением предложено осуществлять в высокоскоростных смесителях. В экспериментальных исследованиях подтверждены установленные теоретическими расчетами возможности повышения удельной поверхности вяжущих до 1,5-2 раз. Действие воды и ПАВ, вследствие появления эффекта Ребиндера, позволяет интенсифицировать процесс разрушения поверхностных слоев частиц. Увеличение дисперсности происходит в основном за счет тонких поверхностных слоев твердых компонентов смеси при реализации сдвиговых усилий. Эффективность высокоинтенсивной обработки проверялась по изменениям дисперсности частиц (табл.4.1).
Таблица 4.1
Изменение количества тонкодисперсных частиц в песке и его удельной поверхности при перемешивании в турбулентном смесителе
Скорость вра-
Интенсификатор
Удельная поверх-
Количество частиц
щения вала,
помола
ность, см2/г
размером 0-50 мкм
Sуд/n
мин-1
п, % массы
Вода
Вода
Вода
СДБ
29,4
Вода
С участием автора в СФ ЦНИИОМТП была изготовлена промышленная установка на кавитационной основе. Работа кавитационного активатора основана на колебательных импульсах, сообщаемых вращающимися лопатками. Такой процесс сопровождается кавитационными явлениями, возникающими за вращающимися лопатками, скорость вращения которых составляет 1200-1800 об./мин. Кавитационные явления, выражающиеся в образовании воздушных пузырьков вблизи частиц цемента, вызывают расчленение цементных агрегатов, дезаэрацию поверхности частиц, более полное их овод-нение и интенсификацию ионообменных процессов. С целью повышения эффективности приготовления материалов в Санк-Петербургском ЗНИИЭП совместно с Л.А.Полонским и О.А.Полищуком отработаны режимы активации вяжущего и обогащения заполнителей в турбулентных смесителях. Эффективность высокоскоростной обработки определялась по количеству химически связанной воды в цементном камне, которая определялась по специальной методике. Результаты исследований представлены в табл.4.2.
Таблица 4.2
Влияние активации растворов на кинетику гидратации цемента
Технология приготовления
Начало схватывания, мин
Конец схватывания, мин
В/Ц
Количество химически связанной воды, % за период сут.
Обычное приготовление
260 285 305
400 440 480
0,46 0,65 0,8
4,3 4,8 5,6
7,0 8,1
9,3
9,1 9,8 10,1
С использованием активации
108 120 135
200 215
0,46 0,65 0,8
13,6 13,8 13,8
16,7 18,1 18,3
17,8 18.8 21,0
Для активации вяжущего перемешивание производится при скорости вращение вала смесителя 2800-3000 об./мин в течение 3-5 минут. При этом наблюдается измельчение зерен цемента и песка за счет поверхностного истирания при реализации сдвиговых усилий, возникающих вследствие градиента скорости частиц твердых компонентов смеси, находящихся в турбулентном потоке.
Раскалывание частиц происходит также при соприкосновении с вращающимся ротором и при отражении от стенок смесителя. Интенсивность домола цемента повышается в присутствии кварцевого песка, из-за более высокой механической прочности кварца. Гранулы пористого заполнителя по сравнению с кварцевым песком и цементом обладают меньшей прочностью, поэтому для их разрушения необходимо приложение внешних воздействий пониженной интенсивности. Процесс размола, например керамзитового гравия с прочностью 2-6 МТТа, проходит интенсивно при скорости перемешивания от 1300 до 2400 об./мин. При мокром помоле необходимая скорость перемешивания снижается.
Увеличение энергетических затрат при активации вяжущего частично компенсируется разогревом компонентов. При продолжительности приготовления 4-7 минут температура смеси компонентов повышается до 35-40 °С.
Перемешивание в высокоскоростных смесителях требует увеличения энергетических затрат. Эффект от применения высокоскоростной обработки равен применительно к цементному связующему повышению его марки на 1-2 ступени. Максимальные объемы материалов, приготавливаемых в высокоскоростных смесителях, по сравнению с обычными значительно ниже.
На основании вышеизложенного можно утверждать, что области применения двухстадийного перемешивания с использованием высокоскоростной обработки материалов на первой стадии ограничены. Применительно к материалам на основе плотных упаковок пористых заполнителей данная технология приготовления является достаточно эффективной.
Необходимость в разрабатываемой технологии исключения дробления заполнителей и небольшие объемы связующего создают применению высокоскоростных смесителей на первой стадии приготовления технологическую и экономическую основу.
В технологии крупноразмерных стеновых керамических изделий применяется природное сырье. Поскольку повышение дисперсности природного глиняного связующего является обязательным, то целесообразным будет являться и применение высокоскоростной обработки на первой стадии приготовления глиняных смесей на пористых заполнителях.
В процессе приготовления на отдельные составляющие смеси интенсивным перемешиванием, температурой и давлением оказываются различные воздействия. При интенсивном перемешивании частицы связующего подвергаются дроблению. В результате увеличивается их удельная поверхность. Понижение давления в процессе интенсивного перемешивания частиц связующего и воды, вследствие уменьшения содержания воздушной фазы, увеличивает площади их взаимодействия.
При этом происходит повышение кинетики гидратации вяжущих. Повышение температуры также способствует ускорению процессов гидратации. Значения максимальных температур разогрева смесей зависят от интенсивности снижения удобоукладываемости. Понижение давления в смесителях на второй стадии перемешивания замедляет процесс водопоглощения заполнителей. Это происходит в результате искусственно созданного перепада между пористыми заполнителями и растворной частью.
Разогрев смеси приводит к увеличению температуры воды, что, в свою очередь, способствует повышению давления насыщенных паров. Так, повышение температуры от 20 до 100 °С приводит к увеличению давления насыщенных паров от 0,0024 до 0,101 МПа. С другой стороны, снижается коэффициент поверхностного натяжения воды от 74,11 до 58,80 эрг/см2. Кроме того, в соответствии с уравнением Клайперона-Менделеева увеличивается давление газа в пузырьках воздуха. Все эти факторы благоприятно влияют на процесс перехода воздушных пузырьков в неустойчивое состояние и способствуют удалению из смеси.