Гомогенизация наномодифицированных цементных систем и подбор параметров их обработки в установках с вихревым слоем

ВЕСТНИК ~

2/2013

УДК 666.94

Х.С. Явруян, И.А. Филонов

ФГБОУВПО «РГСУ»

ГОМОГЕНИЗАЦИЯ НАНОМОДИФИЦИРОВАННЫХ ЦЕМЕНТНЫХ СИСТЕМ И ПОДБОР ПАРАМЕТРОВ ИХ ОБРАБОТКИ В УСТАНОВКАХ С ВИХРЕВЫМ СЛОЕМ

Проведен анализ современного состояния применения нанотехнологий в производстве строительных материалов. Приведен положительный опыт применения в строительном производстве наноматериалов и наночастиц, таких как молекулярные индикаторы, информирующие о напряженно-деформируемом состоянии несущих конструкций; покрытия, аккумулирующие солнечную энергию; самоочищающиеся лакокрасочные покрытия. При рассмотрении наномодификации и наноди-сперсного армирования цементного камня выявлен один из основных вопросов, связанных с трудностью введения и равномерного перемешивания наночастиц. Проблема обусловлена очень маленькими размерами частиц модификатора и небольшими его количествами. Для решения данной задачи предложен вариант с применением аппаратов вихревого слоя, таких как УАП. Эти аппараты позволяют достичь необходимой степени перемешивания, оказывая при этом электромагнитное воздействие и измельчая сырьевые компоненты. Таким образом, решаются сразу две задачи: равномерное распределение нанодисперсных добавок в объеме модифицируемой цементной системы и активация исходных сырьевых компонентов. Предложены определенные экспериментально оптимальные параметры смешивания небольших масс нанодисперсных веществ-модификаторов со строительными смесями (цементными системами).

Ключевые слова: нанодисперсные модификаторы, нанотехнология, домол портландцемента, повышение прочности, аппараты вихревого слоя, гомогенизация, параметры обработки.

Нанотехнология — это новое перспективное направление в науке и наукоемком производстве [1]. Сегодня практически каждая страна, причисляющая себя к лидерам научно-технического прогресса, развивает такое направление. В России в соответствии с Федеральным законом от 19.07.2007 г. № 1Э9-ФЗ создана Российская корпорация нанотехнологий (РОСНАНО), призванная содействовать реализации государственной политики и развитию инновационной инфраструктуры в сфере нанотехнологий и реализации проектов создания перспективных нанотехнологий и наноиндустрии. Правительством РФ утверждаются федеральные целевые программы, направленные на развитие инфраструктуры наноиндустрии в РФ, предусматривающие развитие нанотех-нологий по направлениям: электроника, инженерия, материалы для энергетики и космической техники; биотехнология, конструкционные сверхтвердые, новые углеродные и композиционные авиационные материалы, а также системы безопасности [1, 2].

Немалое внимание уделяется и перспективам применения нанотехнологий в производстве строительных материалов. Бетон становится все более усовершенствованным, развивается технология его производства. Ведущие позиции в применении нанотехнологий в строительстве занимают США, Япония, Германия, Корея и т.д.

Возможности использования в строительной отрасли научно-технических разработок и продуктов нанотехнологий постепенно расширяются. Достигаемые при этом эффекты, как правило, носят многофункциональный характер. Высокопрочные конструкционные композиционные материалы в присутствии нановолокнистых и порошковых частиц приобретают необходимую пластичность, имеют пониженные усадку и ползучесть. Примерами позитивного использования наноматериалов и наночастиц в строительном производстве являются молекулярные индикаторы, информирующие о напряженно-деформируемом состоянии несущих конструкций; покрытия, аккумулирующие солнечную энергию; самоочищающиеся лакокрасочные покрытия и др. Задача состоит, таким образом, в обеспечении строительного рынка этими наномате-риалами и наночастицами с требуемыми технико-экономическими параметрами в нужном объеме.

Наибольшее применение в технологии бетонов и растворов с целью повышения прочности и других эксплуатационных свойств находят оксиды кремнезема, глинозема в сочетании с пластификаторами и суперпластификаторами, особенно на основе модифицированных поликарбоксилатов, обладающих по сравнению с суперпластификаторами С-3, СП-1 и ЛСТ существенно большим разжижающим эффектом. Дополнительное снижение В/Ц бетонных смесей в совокупности с микро- и нанокремнеземом, базальтовой и углеродной фиброй позволяет получать особо прочные бетоны (прочностью 500...600 МПа), непроницаемые для жидкостей и газов, неограниченной морозостойкости, получившие наименование Reactive Powder Concrete (RPC) или бетон особого состава на реакционных порошках. Однако о масштабном применении особо прочных бетонов говорить преждевременно. Наибольшим спросом пользуются отечественные суперпластификаторы С-3, СП-1 и ЛСТ, объем выпуска которых составляет 60 % (С-3; СП-1) и 29 % (ЛСТ), а стоимость 20...40 тыс. р./т. Выпуск поликарбоксилатных гиперпластификаторов составляет около 1 %, а стоимость — 100...120 тыс. р./т [3—5]. Примечательно, что в отсутствие суперпластификаторов упрочняющее действие наночастиц кремнезема и углеродных трубок (астраленов) не превышает 12...20 %. Особенно, по мнению А.Н. Пономарева и М.А. Покропивного, при изготовлении бетона на крупном заполнителе с размерами 20...40 мм прочность бетона с астраленами увеличивалась не более чем на 5 %. Для мелкозернистого бетона прочность его с астраленами возрастает на 20...30 %. Это подтверждает роль объема и качества цементного камня в прочности бетона при слабом взаимодействии цементного камня с поверхностью заполнителей [4—6].

Технологии изготовления и применения нанодисперсной арматуры используются для повышения физико-механических свойств бетона и пенобетона безавтоклавного твердения. В качестве нанодисперсной арматуры могут использоваться природные минералы галлуазит и хризотил, а также синтетические углеродные нанотрубки, имеющие трубчатую структуру и нанометровые диаметры.

При использовании наноразмерных частиц возникает их агломерация, снижающая дисперсность и равномерность распределения частиц в объеме приготавливаемого композита. Следствием этого становится снижение одно-

ВЕСТНИК ~

2/2013

родности материала и его физико-механических свойств, что требует принятия соответствующих мер.

Таким образом, важным вопросом и непростой задачей при применении наноматериалов является необходимость равномерного распределения малого количества тонкодисперсного вещества в объеме модифицируемого материала. Следовательно, возникает необходимость применения смесительных установок, эффективность которых значительно выше аппаратов, традиционно и широко используемых в строительном производстве.

Этими установками являются, например, установки активизации процессов (УАП), которые не только намного эффективнее существующих образцов смесительного оборудования гомогенизируют всевозможные смеси, но и обеспечивают при этом повышение дисперсности обрабатываемых материалов при существенно меньших энергозатратах.

УАП являются устройствами для приготовления высокодиспергированных и гомогенизированных жидких эмульсий и суспензий, многокомпонентных вязкопластичных составов (в т.ч. из трудносмешиваемых жидкостей) и сухих смесей.

Диспергирование сырьевых материалов в УАП до долей микрона и тонкости измельчения 8000 см2/г и более значительно повышает эффективность многих современных технологий, снижает энергопотребление, улучшает технологические и изменяет физико-химические свойства материалов.

Так, кратковременная обработка в установке используемых вяжущих веществ обеспечивает сокращение срока твердения бетонов в естественных условиях, уменьшение расхода цемента или повышение марки бетона, достижение высокой пластичности смесей. Использование активизированного цемента во всех цементосодержащих композициях (фибробетоне, ЦСП, стеновых блоках на минеральных и органических заполнителях) обеспечивает высокие физико-механические и специфические свойства изделий.

Внешне аппарат представляет собой индуктор, помещенный в корпус. Через расточку индуктора проходит труба из немагнитного материала (рабочее пространство). При подаче электроэнергии в рабочем пространстве создается мощное вращающееся электромагнитное поле, которое вращает помещенные в него ферромагнитные элементы. Последние становятся магнитами и взаимодействуют с основным полем. В результате взаимодействия генерируется ряд эффектов, воздействующих на вещество (цемент), помещенное в рабочее пространство. К таким эффектам могут быть отнесены магнитострикция, ме-ханострикция, кавитация, электролиз, торсионные поля, акустические волны. Удельная мощность этих эффектов весьма велика, что позволяет диспергировать и активировать портландцемент. В отличие от псевдоожиженного слоя, получаемого путем воздействия на твердые частицы потока жидкости или газа, вихревой слой ферромагнитных частиц может быть создан как при давлении, так и в вакууме, в жидкой, газообразной или гетерогенной среде [7].

Компоновочные схемы и аппаратурное оформление технологических процессов диспергирования с заданными модификациями УАП просты, высокопроизводительны, легко встраиваются в автоматизированные системы.

Таким образом, решаются сразу две задачи: равномерного распределения нанодисперсных добавок в объеме модифицируемой цементной системы и активации исходных сырьевых компонентов. На основании полученных ранее данных можно сделать вывод о том, что механическая активация портландцемента позволяет, практически не влияя на плотность, значительно повышать прочность пенобетона за счет упрочнения межпоровых перегородок. Таким образом, подтверждена возможность и доказана эффективность применения активации цемента при производстве пенобетона [8].

На эффективность процесса активирования материала в установках с вихревым слоем оказывают влияние многие параметры и характеристики самой установки. К таким параметрам относятся напряженность магнитного поля, скорость его вращения, объем рабочей зоны установки, коэффициенты заполнения рабочей зоны мелющими телами и материалом, отношение длины ферромагнитной частицы к ее диаметру и др. Кроме того, большое значение имеют свойства материала и длительность его обработки [8].

Таким образом, для получения оптимального результата и максимального эффекта обработки материла в установке была поставлена и решена следующая задача: подбор оптимальных параметров и времени обработки портландцемента с целью увеличения его активности. Для выполнения поставленной задачи был проведен ряд опытов по сухому домолу цемента. При этом осуществлялось варьирование такими основными технологическими факторами, как коэффициент заполнения рабочего пространства мелющими телами (величина навески мелющих тел), продолжительность активации и отношение длины ферромагнитных стержней к их диаметру (lid).

В экспериментах использовался портландцемент М500 Д-0 Новороссийского цементного завода. Для оценки влияния параметров обработки на эффективность активации цемента сравнивались активности контрольного и обработанного в установке цемента. С этой целью из контрольных и обработанных (рабочих) навесок цемента согласно ГОСТ 310.4 изготавливались и испытывались после 28 сут твердения в воде образцы-балочки размером 40x40x160 мм. При этом для обеспечения возможности корректного сравнения получаемых результатов водоцементное отношение фиксировалось и оставалось неизменным при изготовлении всех сравниваемых серий образцов [8].

Результатом проведенного ряда экспериментов, подробно описанных в ранее опубликованной авторами [8], стал подобранный опытным путем оптимальный набор параметров для обработки цемента с целью увеличения его активности.

Так, оптимальным является отношение длины к диаметру мелющих тел, равное 10, навеска мелющих тел 550 г и время обработки цемента в установке, не превышающее 30 с.

Указанные выше параметры обеспечивают максимальный прирост активности портландцемента, т.е. максимальную его активацию при оптимальном времени воздействия. Следовательно, можно считать, что эти параметры для данной установки обеспечивают максимально эффективное воздействие на материал в других интересующих нас аспектах таких, как например гомогенизация.

ВЕСТНИК ofon, ~

2/2013

Таким образом, были экспериментально определены параметры, оптимальные для смешивания небольших масс нанодисперсных веществ-модификаторов со строительными смесями (цементными системами). Кроме того, немаловажным является происходящее при этом диспергирование исходных сырьевых компонентов и воздействие вращающегося электромагнитного поля. Следовательно, может быть предложен вариант решения с помощью УАП ряда проблем, связанных с трудностью равномерного распределения наночастиц в объеме бетонных, растворных или сухих строительных смесей. Это станет еще одним шагом на пути к широкому применению нанотехнологий в производстве строительных материалов.

Библиографический список

1. Головин Ю.И. Нанотехнологическая наука стартовала // Природа. 2004. № 1. С. 25—36.

2. Головин Ю.И., Родаев В.В., Умрихин А.В. Нанотехнологии — на службу обществу // Вестник ТГУ Вып. 9 (53). 2007. С. 7—14.

3. Каприелов С.С., БатраковВ.Г., ШейнфельдА.В. (НИИЖБ). Модифицированные бетоны нового поколения: реальность и перспективы. М. : Предприятие Мастер Бетон, 2009.

4. Сахаров Г.П. О краткосрочной перспективе нанотехнологий в производстве строительных материалов и изделий // Технология бетонов. 2009. № 4 (33). С. 65—67.

5. Сахаров Г.П. О краткосрочной перспективе нанотехнологий в производстве строительных материалов и изделий. Часть 2 // Технология бетонов. 2009. № 5 (34). С. 13—15.

6. Пономарев А.Н., Покропивный М.А. Структура и физико-механические свойства нанобетона // Научно-технические проблемы прогнозирования надежности и долговечности конструкций и методы их решения : тр. Междунар. конф. СПб. : Изд-во Политехн. ун-та, 2008. С. 275—279.

7. Логвиненко Д.Д. Реактор для проведения процессов в кипящем слое. Авторское свидетельство № 168264. Бюллетень изобретений. 1965. № 4. С. 47.

8. Филонов И.А., Явруян Х.С. Механическая активация портландцемента в аппарате вихревого слоя // Электронный журнал «Инженерный вестник Дона». 2012. № 3. Режим доступа: http://ivdon.ru/magazine/archive/n3y2012/969.

Поступила в редакцию в декабре 2012 г.

Об авторах: Явруян Хунгианос Степанович — кандидат технических наук, доцент, заведующий кафедрой технологии вяжущих веществ, бетонов и строительной керамики, ФГБОУ ВПО «Ростовский государственный строительный университет» (ФГБОУ ВПО «РГСУ»), 344022, г. Ростов-на-Дону, ул. Социалистическая, д. 162, 8(863)201-90-59, xungian@rambler.ru;

Филонов Игорь Александрович — заведующий учебной лабораторией кафедры технологии вяжущих веществ, бетонов и строительной керамики, ФГБОУ ВПО «Ростовский государственный строительный университет» (ФГБОУ ВПО «РГСУ»), 344022, г. Ростов-на-Дону, ул. Социалистическая, д. 162, 8 (863)201-90-59.

Для цитирования: ЯвруянХ.С., ФилоновИ.А. Гомогенизация наномодифициро-ванных цементных систем и подбор параметров их обработки в установках с вихревым слоем // Вестник МГСУ 2013. № 2. С. 130—136.

Kh.S. Yavruyan, I.A. Filonov

HOMOGENIZATION OF NANO-MODIFIED CEMENT SYSTEMS AND SELECTION

OF PARAMETERS OF THEIR TREATMENT IN VORTEX LAYER UNITS

Overview of application of nanotechnologies in production of construction materials is provided in the article. Successful cases of application of nano-materials and nano-particles in the construction industry are described, including molecular indicators informing about the stress-deformable state of bearing structures, coatings accumulating solar energy, and self-cleaning paints and varnishes. One of the core difficulties of introduction and uniform distribution of nano-particles is identified in the course of consideration of nano-modification and nano-disperse reinforcement of the cement stone. The problem is caused by the miniature dimensions of particles of modifiers and their small amounts. Employment of vortex layer devices, namely, the Process Activation Device, is proposed by the authors. These devices can ensure an appropriate extent of hashing. Thus, the two problems are eliminated by one solution: one is the uniform distribution of nano-disperse additives over the modified cement system and the other one is activation of initial input products. In the article, certain optimal parameters of the process of mixing a small mass of nano-disperse modifiers with building mixes (cement systems) are provided.

Key words: nano-disperse modifiers, nanotechnology, Portland cement, strength improvement, vortex layer, homogenization, treatment parameters.

References

1. Golovin Yu.I. Nanotekhnologicheskaya nauka startovala [The Science of Nanotechnology Has Gotten Off the Mark]. Priroda Publ., 2004, no. 1, pp. 25—36.

2. Golovin Yu.I., Rodaev V.V., Umrikhin A.V. Nanotekhnologii — na sluzhbu obshchestvu [Nanotechnologies to Serve the Society]. Vestnik TGU [Bulletin of Tomsk State University]. 2007, no. 9 (53), pp. 7—14.

3. Kaprielov S.S., Batrakov V.G., Sheynfel'd A.V. Modifitsirovannye betony novogo po-koleniya: real'nost' i perspektivy [Modified Concretes of the New Generation: Reality and Prospects]. Moscow, Predpriyatie Master Beton Publ., 2009.

4. Sakharov G.P. O kratkosrochnoy perspektive nanotekhnologiy v proizvodstve stroitel'nykh materialov i izdeliy [On the Short Term Prospects of Nanotechnologies in the Production of Building Materials and Products]. Tekhnologiya betonov [Technology of Concretes]. 2009, no. 4 (33), pp. 65—67.

5. Sakharov G.P. O kratkosrochnoy perspektive nanotekhnologiy v proizvodstve stroitel'nykh materialov i izdeliy. Ch. 2 [On the Short Term Prospects of the Nanotechnology in the Production of Building Materials and Products. Part 2.]. Tekhnologiya betonov [Technology of Concretes]. 2009, no. 5 (34), pp. 13—15.

6. Ponomarev A.N., Pokropivnyy M.A. Struktura i fiziko-mekhanicheskie svoystva nano-betona [Structure and Mechanical Properties of Nano-concrete]. Nauchno-tekhnicheskie problemy prognozirovaniya nadezhnosti i dolgovechnosti konstruktsiy i metody ikh resheni-ya [Research and Technology-related Problems of Projecting the Reliability and Durability of Structures and Methods of Their Resolution]. Works of International Conference. St.Petersburg, Izd-vo politekhn. un-ta publ., 2008, pp. 275—279.

7. Logvinenko D.D. Reaktor dlya provedeniya protsessov v kipyashchem sloe [Reactor of Processes in the Fluidized Bed]. Avtorskoe svidetel'stvo № 168264 [Copyright Certificate no. 168264]. Byulleten' izobreteniy [Bulletin of Inventions]. 1965, no. 4, p. 47.

8. Filonov I.A., Yavruyan Kh.S. Mekhanicheskaya aktivatsiya portlandtsementa v apparate vikhrevogo sloya [Mechanical Activation of Portland Cement in the Vortex Layer Unit]. Inzhenernyy vestnik Dona [Bulletin of Engineering News of the Don]. 2012, no. 3. Available at: http://ivdon.ru/magazine/archive/n3y2012/969.

ВЕСТНИК ofon, ~

2/2013

About the authors: Yavruyan Khungianos Stepanovich — Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, Chair, Department of Technology of Binders, Concretes and Building Ceramics, Rostov State University of Civil Engineering (RGSU), 162

Sotsialisticheskaya St., Rostov-on-Don, 344022, Russian Federation; xungian@rambler.ru; +7 (863) 2633096;

Filonov Igor Aleksandrovich — Director, Educational Laboratory, Department of Technology of Binders, Concretes and Building Ceramics, Rostov State University of Civil Engineering (RGSU), 162 Sotsialisticheskaya St., Rostov-on-Don, 344022, Russian Federation; +7 (863) 2633096.

For citation: Yavruyan Kh.S., Filonov I.A. Gomogenizatsiya nanomodifitsirovannykh tsementnykh sistem i podbor parametrov ikh obrabotki v ustanovkakh s vikhrevym sloem [Homogenization of Nano-modified Cement Systems and Selection of Parameters of Their Treatment in Vortex Layer Units]. Vestnik MGSU [Proceedings of Moscow State University of Civil Engineering]. 2013, no. 2, pp. 130—136.