АКТИВАТОР И ВАРИАНТЫ ЕГО ПРИМЕНЕНИЯ
ACTIVATOR AND METHOD OF ITS APPLICATION

Изобретение относится к измельчительному оборудованию и предназначено для мокрой активации цементного теста, а также для доведения зерен цемента и молотого песка до наноразмера порядка 100-200 нм, необходимого для приготовления бетонных смесей, нанобетона, пенобетона, нанопенобетона.
Известен способ раздельной технологии приготовления бетонной смеси (С.С.Атаев, «Технология индустриального строительства из монолитного бетона», Москва, «Стройиздат», 1989). Такая технология получения бетонной смеси позволяет экономить цемент на 25-30%. Механизм экономии цемента объясняется тем, что в процессе приготовления бетонной смеси из-за неполной гидратации до 30-50% цементных зерен используется как обычный тонкомолотый инертный наполнитель. То есть при приготовлении бетонной смеси обычным способом часть цементных зерен не размешивается с остальными ингредиентами и образует «флокулы», что экономически невыгодно и снижает качество бетонной смеси. Если заменить эту часть негидратированных зерен другим тонкомолотым наполнителем с добавлением некоторой части обычного кварцевого песка, можно сэкономить соответствующее количество цемента.
На российском рынке представлены планетарные мельницы, являющиеся измельчительным оборудованием высокой энергонапряженности. Например, ЗАО «Активатор» освоило выпуск планетарных шаровых мельниц "Активатор", (WWW.activator.ru, 630056, Россия, Новосибирск 56, а/я 141). «Активатор» - это серия высокоскоростных планетарных мельниц с разной производительностью, разработанные специально для научных исследований и производств. В таких мельницах обычно имеются 3-4 диска, установленных в корпусе. К мельнице подведены коммуникационные трубы для подачи ингредиентов. Диски связаны с ротором привода и вращаются вокруг центральной оси и одновременно вокруг собственных осей в противоположном направлении (подобно движению планет вокруг Солнца). При этом частицы измельчаемого материала претерпевают множество соударений с мелющими телами и стенками барабана. При высоких ускорениях вращения барабанов в результате интенсивной механической обработки происходит измельчение частиц, изменение физико-химических свойств полученных порошков. Такие механически активированные порошки обладают повышенной реакционной способностью и легче вступают в химические реакции.
Недостаток шаровых и других типов мельниц заключается в том, что полученные в результате измельчения нанопорошки с размером частиц менее 100 нм крайне неудобны в использовании: они занимают большой объем, пылят при работе с ними и образуют достаточно стабильную взвесь, их воздействие на здоровье человека мало изучено. Процесс измельчения производится в сухом виде (сухой помол), что сопровождается выделением большого количества тепла при трении, поэтому в мельницах должна быть предусмотрена система охлаждения. Так-так мельницы представляют собой конструктивно сложные автономные устройства, то готовую продукцию необходимо доставлять до потребителя, а тем временем срок хранения нанопорошка ограничен (не более 3 месяцев). После его истечения требуется повторное измельчение.
Известны цикличные смесители тарельчатого типа СБ-142 или СБ-133 (К.М.Королев. «Передвижные бетоно-растворосмесители и бетононасосные установки», Высшая школа, Москва, 1986, с.36). Смесители состоят из чаши (корпуса), лопастного механизма перемешивания, редуктора и привода. Составляющие смеси загружают отдельными порциями через отверстие в крышке. Недостатки указанных смесителей заключаются в цикличности, неполной гидратации цементных зерен, невозможности получения наноразмерных зерен цемента и, как следствие, невозможность получения нанобетона.
Техническая задача данного изобретения подразделяется на связанные технологически задачи:
1. Создание конструкции активатора для получения активированного цементного теста из цемента и молотого песка в присутствии воды с доведением их частиц до наноразмеров порядка 100-200 нм.
2. Создание установки непрерывного действия для приготовления тяжелого бетона и нанобетона с применением в ее конструкции активатора. Причем в основу конструкции положена описанная выше технология раздельного приготовления бетонной смеси. При этом достигается максимальная гидратация цементного теста.
Для достижения поставленной цели создан активатор специальной конструкции. Функция активатора - получение цементного теста из измельченных до наноразмеров частиц цемента и молотого песка в среде воды (мокрый помол).
Активатор включает набор установленных соосно мелющих вращающихся и неподвижных дисков. Вращающиеся мелющие диски своими пазами установлены на лопастях ротора, а неподвижные мелющие диски с выступами зафиксированы. Каждый мелющий диск с одной или двух сторон снабжен кольцами. На кольцах выполнены радиальные каналы, расширяющиеся к центру диска. Материалом колец может служить абразив с мельчащей структурой, алмазные кольца со структурой 4-60 мкм, самозаточные металлокерамические кольца со специальным рельефом и т.д., что многократно увеличивает ресурс работы активатора.
Конструкция активатора и варианты его применения в различных устройствах приведены на чертежах.
На фиг.1 приведен сборочный чертеж активатора.
На фиг.2 приведен сборочный чертеж набора мелющих дисков.
На фиг.3 и 4 приведена конструкция вращающегося и неподвижного мелющих дисков активатора.
На фиг.5 приведена конструкция установки непрерывного действия для приготовления тяжелого бетона и нанобетона с применением активатора.
Активатор (см. фиг.1) включает набор 1 чередующихся мелющих вращающихся и неподвижных дисков, установленный в корпусе 2 (Набор устанавливают неподвижным мелющим диском вниз), и привод 3 с ротором 4, снабженным лопастями 5. К корпусу 2 активатора подведены коммуникационные трубы 6, 7 и 8 для подачи цемента, молотого песка и воды. Внизу корпуса установлен сливной патрубок 9. Трубы 6, 7 и 8, а также сливной патрубок 9 снабжены автоматическими шиберами (на чертеже не показаны). Крайний неподвижный мелющий диск набора (в данном случае нижний) подпирается гибким прижимным элементом 10 (например, резиновым шлангом), в который через штуцер подают сжатый воздух. Набор мелющих дисков 1 закреплен к корпусу 2 укосинами 11, снабженный пазами 12. Набор дисков (фиг.2, на чертеже повернут на 180°) включает установленные соосно мелющие вращающиеся 13 и неподвижные 14 диски. Между дисками на штифтах 15 установлены пружины сжатия 16. Вращающийся мелющий диск изнутри снабжен пазом 17, а неподвижный мелющий диск снабжен снаружи выступом 18. Каждый мелющий диски с одной или двух сторон снабжен кольцами 19. На кольцах выполнены радиальные каналы 20, расширяющиеся к центру диска. Материалом колец может служить абразив с включениями алмазной крошки, металлокерамика и т.д., что многократно увеличит его ресурс работы на истирание. В исходном положении диски 13 и 14 набора 1 под воздействием усилий пружин 16 отводятся друг от друга, т.е. между смежными кольцами дисков образуется небольшой зазор, достаточный для беспрепятственной циркуляции частиц ингредиентов приготавливаемой смеси. При подаче сжатого воздуха в гибкий прижимной элемент 10 он надувается и прижимает друг к другу поверхности колец 19 смежных дисков. При этом верхний неподвижный мелющий диск в наборе 1 упирается в вырезы лопастей 5 (на чертеже не видны), обеспечивая прижим. Между гибким прижимным элементом 10 и дном корпуса 2, а также между набором дисков и внутренней стенкой корпуса предусмотрен зазор для обеспечения циркуляции приготавливаемой смеси. Лопасти 5 ротора 4 входят в пазы 17 вращающихся мелющих дисков, а выступы 18 неподвижных мелющих дисков входят в пазы 12 укосин 11. Таким образом, при вращении ротора 4 диски 13 вращаются, а диски 14 остаются зафиксированными. Активатор работает следующим образом.
Для приготовления обычного цементного теста приводят во вращение ротор 4 установки и подают в корпус 2 через трубу 8 при открытом шибере расчетную порцию воды. После этого шибер закрывают, и таким же образом подают через трубу 6 и 7 порцию цемента и после активации подают молотый песок. Далее цемент и песок перемешиваются совместно с водой, образуя цементное тесто. По истечении заданного времени вращения ротора готовое цементное тесто через сливной патрубок 9 подают к месту назначения для использования или для продолжения технологического процесса. Например, подают в другие установки для получения пенобетона, нанопенобетона, обычного бетона или нанобетона и т.д.
Для приготовления наноцементного теста совершают те же действия, как и для приготовления обычного цементного теста, но подают сжатый воздух в гибкий прижимной элемент 10 (шланг). Гибкий прижимной элемент надувается и прижимает друг к другу поверхности колец 19 смежных дисков, преодолевая сопротивление пружин 16. При этом лопасти 5 перемешивают ингредиенты, образуя цементное тесто, которое под воздействием центробежных сил вращающегося ротора 4 и лопастей поднимается вдоль внутренней стенки корпуса 2 и попадает во внутреннюю полость набора дисков 1. Оттуда цементное тесто поступает в радиальные каналы 20 и, попав между трущимися поверхностями колец 19, перемалывается до необходимых наноразмеров. Количество перемолотого до наноразмера цементного теста определяется опытным путем и зависит от объема приготавливаемой смеси, усилия прижатия колец дисков, продолжительности вращения, количества дисков, скорости вращения ротора и т.д. После достижения нужных параметров наноцементного теста воздух из шланга 10 стравливают, пружины 16 раздвигают диски. Процесс измельчения прекращается.
Установка непрерывного действия для приготовления тяжелого бетона и нанобетона (см. фиг..6) включает весовой дозатор 27, активаторы 28, бункер щебня 29, бункер крупного песка 30, циклические смесители 31, 32 и приемный бункер 33 гидравлического бетононасоса. Дозатор и активатор снабжены тензодатчиками. Два циклических смесителя используются для обеспечения непрерывности получения бетона. Бункеры 29 и 30 снабжены автоматическими шиберами 34 и 35 для подачи щебня и крупного песка. Дозатор 27 снабжен переключающимся шибером 36, предназначенным для направления отмеренных по весу порций щебня или песка в 31 или 32 циклический смеситель. 37 - бункер для мелкого песка. Готовый бетон из смесителей через открытые шиберы выходных патрубков (па чертеже не приведены) выливается в приемный бункер 33 и оттуда подается к месту назначения. К корпусу 2 активатора (см. фиг.1) подведены трубы 6, 7 и 8 для подачи соответственно цемента, молотого песка и воды. Трубы на входе в активатор снабжены автоматическими шиберами и вентилем. Сливные патрубки активаторов снабжены шиберами (на фиг.6 не показаны), через которые в размещенные под ними циклические смесители подается приготовленное в активаторах цементное тесто.
Установка для непрерывного действия для приготовления тяжелого бетона и нанобетона работает следующим образом.
Щебень и крупный песок из бункеров 29 и 30 попадают в весовой дозатор 27 поочередным открытием шиберов 34 и 35. Туда же винтовым питателем из отдельного бункера (на чертеже не показан) подают мелкий песок. Загрузка и суммарное взвешивание дозатора производится по программе в зависимости получаемого бетона. По трубам 6 в корпус активатора 28 подают цемент. Далее в присутствии воды перемешиванием производят мокрую активацию цементного теста до наноразмеров. Далее в активатор по трубам 7 подают молотый песок (20-70 мкм) и производят активацию полученного цементного теста с молотым песком и пластифицирующими добавками, что позволяет интенсифицировать помол и активизировать поверхность частиц наполнителя. Одновременно частицы молотого песка путем помола также доводятся до наноразмеров. Подготовленное таким образом активированное наноцементное тесто из активатора через сливной патрубок при открытом нижнем шибере (на чертеже не показан) выгружают в нижерасположенный цикличный смеситель 31. Туда же следом выгружают наполнители из дозатора 27. Приготовленная в смесителе бетонная смесь выгружается в нижерасположенный приемный бункер 33 гидравлического бетононасоса. В это же время по описанной выше технологии готовится очередная порция бетонной смеси в смесителе 32 к моменту завершения перекачки бетона из приемного бункера 33 бетононасоса. Таким образом, используя два смесителя цикличного действия, обеспечивается непрерывный процесс приготовления нанобетонной (бетонной) смеси. Из приемного бункера готовая бетонная (нанобетонная) смесь подается к месту назначения.