Исследование влияния интенсификаторов помола на измельчение и свойства белого цемента

УДК 666.942.82

С.В. Котов, С.П. Сивков

Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ИНТЕНСИФИКАТОРОВ ПОМОЛА НА ИЗМЕЛЬЧЕНИЕ И СВОЙСТВА БЕЛОГО ЦЕМЕНТА

This work deals with investigation of white cement and white cement with added limestone grinding process. It has been shown that the most effective grinding aid for both types of grinded cements should contain substances with different mechanisms of action affecting cement grinding process. Investigations of total surface area, particle size distribution, total heat development of milling cement and durability of cement stone samples for both types of grinded cements were performed.

Данная работа связана с изучением процесса измельчения белого цемента и белого цемента с введением известняка. Было показано что наиболее эффективный интенсификатор помола для обоих типов измельченных цементов должен содержать вещества обладающие различными механизмами действия влияющие на процесс измельчения цемента. Были проведены исследования удельной поверхности, распределения размеров частиц, общего тепловыделения измельченного цемента и определена прочность образцов цементного камня для обоих типов измельченных цементов.

В настоящее время наблюдается тенденция к более широкому использованию в цементном производстве так называемых интенсификаторов помола цементов. Использование таких веществ позволяет при заданной степени дисперсности цемента снизить удельный расход энергии на его измельчение или повысить производительность помольного агрегата, а при фиксированной производительности мельницы -повысить степень дисперсности, улучшить гранулометрический состав и прочностные характеристики цемента, предотвратить агломерацию частиц, их налипание на мелющие тела или бронефутеровку мельниц, улучшить реологические характеристики порошка, его подвижность, уменьшить вероятность зависания цемента в цементных силосах.

Механизм действия интенсификаторов помола чаще всего объясняют двумя причинами: адсорбционным понижением прочности твердых тел вследствие снижения энергии, необходимой для образования новой поверхности частиц материала (эффект П.А.Ребиндера), а также нейтрализацией некомпенсированных электрических зарядов, образующиеся при разрыве химических связей в структуре материала при его измельчении. К добавкам, понижающим прочность твердых тел, относят поверхностно-активные вещества различной природы, а к добавкам, нейтрализующим заряды - алканоламины с высоким дипольным моментом молекулы и полигликоли. Таким образом, было сделано предположение, что наиболее эффективный интенсификатор помола цемента должен быть многокомпонентным и содержать вещества, обладающие различными механизмами действия при измельчении цемента.

В работе исследовалось влияние алканоамина представленного триизопропаноламином (раствор 80% активного вещества) и поверхностно-

активного вещества представленного гиперпластификатором поликарбоксилатного типа (раствор 25% активного вещества), являющегося добавкой пластификатором растворных и бетонных смесей, на размолоспособность и свойства измельченного белого цемента и добавочного белого цемента с введением 10% белого известняка. Так же исследовалось влияние многокомпонентного интенсификатора помола содержащего в своем составе указанные выше алканоамин и поверхностно-активное вещество на измельчение и свойства измельченного белого цемента и добавочного белого цемента. Многокомпонентный интенсификатор помола содержал в своем составе 50% масс. раствора триизопропаноламина и 50% масс. раствора гиперпластификатора. В работе использовался белый клинкер Щуровского цементного завода, природный гипсовый камень и природный белый известняк. Помол цемента осуществлялся в лабораторной мельнице типа АПР. Определение удельной поверхности материала осуществлялось методом воздухопроницаемости на приборе ПМЦ-500, согласно инструкции к прибору. Определение гранулометрического состава измельченных цементов проводилось на лазерном гранулометре MasterSizer согласно инструкции к прибору. Определение тепловыделения при гидратации цементов проводилось на дифференциальном калориметре, согласно инструкции к прибору. Для исследования прочностных характеристик цементного камня формовались образцы - балочки с размерами 10x10x30 мм из цементного теста с постоянным водоцементным отношением равным 0,3.

При измельчении белого цемента и добавочного белого цемента с введением триизопропаноламина (ТИПА), поверхностно-активного вещества (ПАВ) и многокомпонентного интенсификатора помола (ИП-1) увеличения удельной поверхности в течение всего времени измельчения по сравнению с исходным измельченным белым цементом (рис. 1) и по сравнению с исходным добавочным цементом (рис. 2) не наблюдается. Отсутствие увеличения удельной поверхности с введением при измельчении указанных интенсификаторов помола при измельчении обоих типов цементов по сравнению с удельной поверхностью исходных цементов объясняется тем, что все указанные интенсификаторы помола оказывают основное влияние в процессе измельчения на гранулометрический состав измельченных цементов.

Гранулометрические характеристики измельченного белого цемента и добавочного белого цемента, представленные в таблицах 1 и 2 соответственно, а так же гранулометрические составы данных измельченных цементов, представленные на рисунках 3 и 4 соответственно, показывают что при измельчении обоих типов цементов в лабораторной мельнице в течение 5 минут с введением интенсификаторов помола триизопропаноламина (ТИПА) и многокомпонентного интенсификатора помола (ИП-1), наблюдается снижение среднего объемного размера частиц Б [4,3], в случае введения при измельчении обоих типов цементов поверхностно-активного вещества (ПАВ), наблюдается увеличение среднего объемного размера частиц Б [4,3], однако содержание мелкой фракции

менее 5 мкм у обоих типов цементов измельченных с введением всех указанных интенсификаторов помола ниже чем у исходных измельченных цементов, что объясняется повышением однородности гранулометрического состава измельченных цементов с введением интенсификаторов помола, за счет увеличения содержания частиц средней фракции от 10 до 30 мкм и снижением содержания частиц крупной фракции более 100 мкм по сравнению с исходными измельченными цементами. Наиболее оптимальными гранулометрическими характеристиками и

гранулометрическими составами обладают белый цемент и добавочный белый цемент, измельченные с введением многокомпонентного интенсификатора помола, по сравнению с исходными измельченными цементами, что объясняется совместным действием компонентов многокомпонентного интенсификатора помола отличающихся различным механизмом действия при измельчении цемента.

Д 0,04% ИП-1

304 384 455 495 561 Время измельчения, мин

Рис. 1. Помол белого цемента на мельнице типа АПР

500

0,04% ИП-1

измельчения,

Рис. 2. Помол добавочного белого цемента на мельнице типа АПР

Табл. 1. Гранулометрические характеристики измельченного белого цемента при измельчении в течение 5 минут

Состав Средний объемный Количество фракции менее., %

размер частиц 88,9 48,3 30,53 4,88 1,06

В [4,3] мкм мкм мкм мкм мкм

Б/Д 22,76 95,64 85,61 76,19 25,40 5,03

0,04% ТИПА 18,20 99,77 93,38 81,49 17,94 4,31

0,04% ПАВ 25,70 95,49 83,64 71,53 18,84 3,92

0,04% ИП-1 19,23 98,80 90,38 79,27 22,07 4,70

Суммарное тепловыделение белого цемента измельченного с введением всех типов интенсификаторов помола, во все сроки гидратации, не уступает тепловыделению исходного измельченного белого цемента (рис. 5), таким образом несмотря на снижение тонкой фракции, повышение однородности гранулометрического состава у цементов измельченных с введением интенсификаторов помола позволяет не снижать активность данных цементов по сравнению с исходным измельченным белым цементом. Суммарное тепловыделение измельченных добавочных белых

цементов с введением при измельчении триэтаноламина (ТИПА) и поверхностно-активного вещества (ПАВ) оказывается ниже тепловыделения исходного добавочного цемента (рис. 6), данный эффект можно объяснить наличием легко размалываемой добавки известняка в составе добавочного цемента, т.о. введенный интенсификатор помола полностью взаимодействует с частицами известняка, при этом частицы цементного клинкера остаются недостаточно измельченными, что приводит к снижению активности измельченного добавочного цемента по сравнению с исходным

Табл. 2. Гранулометрические характеристики измельченного добавочного _белого цемента при измельчении в течение 5 минут_

Состав Средний объемный Количество фракции менее., %

размер частиц 88,9 48,3 30,53 4,88 1,06

В [4,3] мкм мкм мкм мкм мкм

Б/Д 27,76 93,44 81,85 71,44 18,41 4,18

0,04% ТИПА 19,92 99,35 91,58 79,04 15,65 3,85

0,04% ПАВ 26,28 94,70 82,39 70,76 17,59 3,83

0,04% ИП-1 23,39 97,02 86,47 74,47 16,01 3,76

добавочным цементом. Однако указанный выше эффект снижения активности измельченного добавочного цемента не наблюдается в случае введения при измельчении многокомпонентного интенсификатора помола, содержащего в своем составе компоненты обладающие различной активностью и различными механизмами действия при измельчении цемента, т.о. в данном случае измельчается не только известняк но и клинкерная составляющая добавочного цемента.

Рис. 3. Гранулометрический состав Рис. 4. Гранулометрический состав

белого цемента измельченного в течение добавочного белого цемента

5 минут измельченного в течение 5 минут

Прочностные характеристики цементного камня полученного из белого цемента и добавочного белого цемента измельченных с введением при измельчении всех типов интенсификаторов помола, показывают что наибольшей прочностью на сжатие при твердении в течение 28 суток, на 12% и 9%, соответственно, по сравнению с прочностью исходного цементного камня обоих типов цемента обладают цементные камни полученные из цемента измельченного с введением многокомпонентного интенсификатора помола (ИП-1), состоящего из веществ обладающих

различными механизмами действия при измельчении цемента.

а 9

с

ф

а

120 100 80 60 40 20 0

3 часа

Б/Д 30,18

0,04% 0,04% 0,04% ТИПА ПАВ ИП-1

26,72 28,32 29,35

5 часов 37,38 35,34 34,29 36,05

10 часов 54,86 46,07 51,94 53,24

И 24 часа 90,55 86,43 88,44 89,68 48часов"[ 104,48 113,4 101,51 111,29

120 100 80 60 40 20 0

3 часа

Б/Д 22,06

0,04% 0,04% ТИПА ПАВ

0,04% ИП-1

12,88 15,68 21,32

П 5 часов П10 часов И 24 часа

38,90 71,54 93,51

25,32 26,62 47,31 48,36 73,73 75,02

37,91 68,24 91,97

148 часов 101,84 79,74 78,35 98,76

Рис. 5. Суммарное тепловыделение при гидратации измельченного в течение 5 минут белого цемента

Рис. 6. Суммарное тепловыделение при гидратации измельченного в течение 5 минут добавочного белого цемента

А) Б)

Рис. 7. Прочностные характеристики цементного камня: А) - белый цемент, Б) -

добавочный белый цемент.

Исходя из перечисленных выше данных можно сделать вывод что в случае измельчения белого цемента и добавочного белого цемента с введением 10% известняка, наиболее эффективно введение многокомпонентного интенсификатора помола содержащего алканоамин -триэтаноламин и поверхностно-активное вещество - пластификатор поликарбоксилатного типа, т.к. данные соединения обладают различными механизмами действия при измельчении цемента что позволяет при отсутствии повышения удельной поверхности у измельченных цементов обоих типов, повысить однородность гранулометрического состава данных цементов, повышая количество фракции в диапазоне от 10 до 30 мкм и снижая количество крупной фракции более 100 мкм что не снижает активность цементов при гидратации и повышает прочность на сжатие цементного камня в поздние сроки твердения в диапазоне 10% для обоих типов измельченных цементов по сравнению с исходными измельченными цементами.