employee
Moscow, Moscow, Russian Federation
The most popular building material, including on transport facilities, is cement. Cement production is associated with the electricity costs. The biggest cost item is the consumption for the cement clinker grinding. It is known that disperse characteristics of cements, such as fineness of grinding, specific surface, coarseness of grading, largely determine their hydraulic properties, and for expanding cements - the deformation ones. In the paper, the issues of electric power consumption were considered when grinding extender expanders: aluminous slag, sulfoaluminate, sulfoferrite and sulfoalumoferrite clinkers.
expansive cement, grindability, alumina slag, sulfoaluminate clinker, sulfoferrite clinker, sulfoalumoferrite clinker.
Введение. Бетонные и железобетонные изделия при высыхании и затвердевании уменьшаются в объеме, что приводит к их усадке. При длительном действии усадки и в присутствии жестких препятствий уменьшению объема, например, арматура или заполнитель, распорные устройства, в цементном камне возникают высокие растягивающие напряжения, которые могут приводить к образованию трещин и разрушению бетона [1,2].
Снижение величины усадки обычно достигается конструктивными способами: увеличением количества арматуры, разбивка конструкций на отдельные блоки, увеличение частоты расположения усадочных швов и другими способами [3]. Как правило, все эти мероприятия удорожают строительство и могут сокращать срок службы сооружений.
Ученые и строители всегда пытались найти способы компенсировать усадку или получить положительное расширение, чтобы оно навсегда придало нужное напряженное состояние [4-7 2, 7-8].
Одним из способов снижения усадки является применение расширяющихся цементов [6,8,18,20]. В настоящее время известно множество различных видов расширяющихся цементов [9].
Самым распространенным способом получения расширяющихся цементов является совместный или раздельный помол с последующим смешением портландцементного клинкера, гипса и специальной добавки [6,8,10,11,19, 21].
Расширяющийся цемент при твердении вызывает увеличение объема цементного камня, его уплотнение и самонапряжение. Он применяется в строительстве жилых и промышленных зданий, при строительстве объектов химической промышленности, очистных сооружений, а также при строительстве тоннелей и станций метрополитена [6,12].
Среди таких добавок широкое распространение получили глиноземистые шлаки, сульфоалюминатный, сульфоферритный и сульфоалюмоферритный клинкеры [6, 13-17].
В последнее время происходит постоянный рост тарифов на электроэнергию и много внимания уделяется вопросам экономии энергетических и природных ресурсов. Это заставляет предприятия задуматься об экономии. Были проведены исследования для определения удельного расхода электроэнергии, затрачиваемой на размол расширяющих добавок.
Целью работы являлось проведение исследований размолоспособности расширяющихся добавок до различной дисперсности и определения удельного расхода электроэнергии, затрачиваемой на помол.
Материалы и методы. В качестве исходных материалов в работе использовались – портландцементный клинкер, глиноземистый шлак (ГШ), сульфоалюминатный (САК), сульфоферритный (СФК) и сульфоалюмоферритный (САФК) клинкеры. Химический состав материалов представлен в табл. 1.
Таблица 1 - Химический состав исходных материалов
|
№ |
Наименование |
Содержание оксидов, масс.% |
|||||||
|
SiO2 |
Al2O3 |
Fe2O3 |
CaO |
MgO |
SO3 |
R2O |
ппп |
||
|
1 |
Клинкер Подольского завода |
20,10 |
4,56 |
8,72 |
62,75 |
1,99 |
0,57 |
1,58 |
0,92 |
|
2 |
Глиноземистый шлак |
10,50 |
47,00 |
0,80 |
39,35 |
- |
- |
- |
0,12 |
|
3 |
Сульфоалюминатный клинкер |
12,77 |
14,73 |
3,20 |
51,45 |
1,76 |
10,45 |
1,14 |
2,70 |
|
4 |
Сульфоферритный клинкер |
12,23 |
3,09 |
23,79 |
51,83 |
1,92 |
5,19 |
1,18 |
0,11 |
|
5 |
Сульфоалюмоферритный клинкер |
14,76 |
10,87 |
13,78 |
56,39 |
2,04 |
2,39 |
1,09 |
0,51 |
Компоненты размалывались в лабораторной мельнице до размера удельной поверхности равной 300 м2/кг и 400 м2/кг. Добавки с различной удельной поверхностью затем смешивались с портландцементом и изучались их деформационные характеристики.
Размалываемость материалов характеризовалась функциональной зависимостью тонкости измельчения от удельного расхода электроэнергии, затрачиваемой на помол.
Удельный расход энергии находился по формуле:
где Эп – удельный расход энергии (полезный), затраченной при размоле в течение n оборотов мельницы, кВт∙ч/т;
n – число оборотов мельницы, считая от начала размола;
Р – вес загружаемого материала, кг;
48 – скорость вращения мельницы об/мин;
0,28 – полезная мощность мелющих тел, развиваемая в одном отделении мельницы при загрузке 55,0 кг мелющих тел и пробой материала, кВт.
Удельная производительность рассчитывалась по формуле:
где b – удельная производительность, кг/час/кВт.
Обработанные данные по определению размалываемости представлены в табл. 2.
Таблица 2 – Размалываемость материалов в лабораторной мельнице
|
Материал |
Число оборотов мельницы |
Суммарная продолжительность размола, мин |
Суммарный расход электроэнергии, кВт/ч |
Производитель-ность, кг/ч |
Удельный расход энергии, кВт-ч/т |
Удельная производитель-ность, кг/час/кВт |
Остаток на сите 0,08, % |
Удельная поверхность, м2/кг |
|
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
|
ПЦкл |
2400 |
50 |
0,233 |
12,0 |
23,3 |
42,9 |
15,2 |
264 |
|
2880 |
60 |
0,28 |
10,0 |
28,0 |
35,7 |
13,9 |
288 |
|
|
3360 |
70 |
0,327 |
8,6 |
32,7 |
30,6 |
12,8 |
307 |
|
|
3840 |
80 |
0,373 |
7,5 |
37,3 |
26,8 |
12,6 |
313 |
|
|
4320 |
90 |
0,420 |
6,7 |
42,0 |
23,8 |
12,3 |
340 |
|
|
4800 |
100 |
0,467 |
6,0 |
46,7 |
21,4 |
11,9 |
364 |
|
|
5280 |
110 |
0,513 |
5,5 |
51,3 |
19,5 |
11,7 |
380 |
|
|
5760 |
120 |
0,560 |
5,0 |
56,0 |
17,9 |
11,3 |
391 |
|
|
6240 |
130 |
0,607 |
4,6 |
60,7 |
16,5 |
10,6 |
400 |
|
|
ГШ |
1440 |
30 |
0,140 |
20,0 |
14,0 |
71,4 |
52,5 |
215 |
|
1920 |
40 |
0,187 |
15,0 |
18,7 |
53,5 |
43,5 |
261 |
|
|
2400 |
50 |
0,233 |
12,0 |
23,3 |
42,9 |
34,0 |
306 |
|
|
2880 |
60 |
0,28 |
10,0 |
28,0 |
35,7 |
25,8 |
335 |
|
|
3360 |
70 |
0,327 |
8,6 |
32,7 |
30,6 |
22,0 |
360 |
|
|
3840 |
80 |
0,373 |
7,5 |
37,3 |
26,8 |
19,5 |
381 |
|
|
4320 |
90 |
0,420 |
6,7 |
42,0 |
23,8 |
16,8 |
420
|
|
|
Продолжение таблицы 1 |
||||||||
|
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
|
САК |
480 |
10 |
0,047 |
60,0 |
4,7 |
214,1 |
49,6 |
234 |
|
960 |
20 |
0,093 |
30,0 |
9,3 |
107,5 |
29,9 |
305 |
|
|
1440 |
30 |
0,140 |
20,0 |
14,0 |
71,4 |
21,1 |
397 |
|
|
1920 |
40 |
0,187 |
15,0 |
18,7 |
53,5 |
14,8 |
398 |
|
|
СФК |
4320 |
90 |
0,420 |
6,7 |
42,0 |
23,8 |
12,3 |
326 |
|
4800 |
100 |
0,467 |
6,0 |
46,7 |
21,4 |
9,5 |
363 |
|
|
5280 |
110 |
0,513 |
5,5 |
51,3 |
19,5 |
8,9 |
373 |
|
|
5760 |
120 |
0,560 |
5,0 |
56,0 |
17,9 |
7,6 |
380 |
|
|
6240 |
130 |
0,607 |
4,6 |
60,7 |
16,5 |
5,3 |
400 |
|
|
6720 |
140 |
0,653 |
4,3 |
65,3 |
15,3 |
5,1 |
404 |
|
|
САФК |
4800 |
100 |
0,467 |
6,0 |
46,7 |
21,4 |
12,2 |
325 |
|
5280 |
110 |
0,513 |
5,5 |
51,3 |
19,5 |
11,9 |
346 |
|
|
5760 |
120 |
0,560 |
5,0 |
56,0 |
17,9 |
11,7 |
369 |
|
|
6240 |
130 |
0,607 |
4,6 |
60,7 |
16,5 |
11,4 |
377 |
|
|
6720 |
140 |
0,653 |
4,3 |
65,3 |
15,3 |
11,2 |
383 |
|
|
7200 |
150 |
0,700 |
4,0 |
70,0 |
14,29 |
10,6 |
400 |
|
|
7680 |
160 |
0,747 |
3,75 |
74,7 |
13,4 |
10,4 |
411 |
|
Из представленных результатов видно, наиболее энергоемким является помол сульфоалюмоферритного клинкера. Так для достижения удельной поверхности Sуд=300 м2/кг на помол сульфоалюмоферритного клинкера требуется 42 кВт∙ч/т, сульфоферритного клинкера – 37,3 кВт∙ч/т, портландцементного клинкера – 32,7 кВт∙ч/т. Легче всего размалываются глиноземистый шлак и сульфоалюминатный клинкер, для достижения Sуд=300 м2/кг при их помоле потребуется 23,3 кВт∙ч/т и 9,3 кВт∙ч/т соответственно.
Для достижения удельной поверхности исследуемых материалов равной 400 м2/кг удельный расход электроэнергии составил у сульфоалюмоферритного клинкера - 70 кВт∙ч/т, сульфоферритного клинкера – 60,7 кВт∙ч/т, портландцементного клинкера – 60,7 кВт∙ч/т, глиноземистого шлака – 37,3 кВт∙ч/т и сульфоалюминатного клинкера – 18,7 кВт∙ч/т.
Графическая характеристика размалываемости материалов представлена на рис 1.
Рисунок 1 - Характеристика размалываемости расширяющихся добавок и ПЦ клинкера.
Заключение. Из приведенных зависимостей видно, что тонкость измельчения материалов различна при одинаковых условиях измельчения, и эта разница в первую очередь обусловлена кристаллической структурой минералов и их твердостью [6,14].
Больше всего времени и электроэнергии на достижение удельной поверхности 300 м2/кг и 400 м2/кг затрачивается при помоле сульфоалюмоферритного клинкера, оно составляет 90 мин (1,5 часа) и 150 мин (2,5 часа) соответственно. Поэтому трудноразмалываемые расширяющиеся добавки целесообразно размалывать совместно с портландцементным клинкером.
1. Bazhenov Yu.M., Harchenko A.I. Nauchno-tehnicheskiy vestnik Povolzh'ya, 5, 86 (2012).
2. Julien Bizzozero, Christophe Gosselin, Karen L. Scrivener, Cement and Concrete Research, 56, 190 (2014)
3. S. Monosi, R. Troli, O. Favoni, F. Tittarelli, Cement and Concrete Composites, 33, Issue 4, 485 (2011)
4. Jianguo Han, Di Jia, Peiyu Yan, Construction and Building Materials, 116, 36 (2016)
5. J.L. García Calvo, D. Revuelta, P. Carballosa, J.P. Gutiérrez, Construction and Building Materials, 136, 227 (2017)
6. Krivoborodov Yu.R., Samchenko S.V. Fiziko-himicheskie svoystva sul'fatirovannyh klinkerov. M.: VNIIESM, 1991. 55 s.
7. V.A. Perfilov D.V. Oreshkin D.Yu. Zemlyanushnov, «Metodiya inzhiniring», 150, 1474 (2016)
8. Samchenko S.V., Zorin D.A., Cement-Wapno-Beton, XIII/LXXV, 5, 254 (2008).
9. L. Mo, M. Deng, A. Wang, Cement and Concrete Composites, 34, 3, 377 (2012)
10. Hyeonggil Choi, Myungkwan Lim, Ryoma Kitagaki, Takafumi Noguchi, Gyuyong Kim, Construction and Building Materials, 84,468 (2015)
11. Fang Liu, Shui-Long Shen, Dong-Wei Hou, Arul Arulrajah, Suksun Horpibulsuk, Construction and Building Materials, 114, 49 (2016)
12. R. Gagné, Science and Technology of Concrete Admixtures, 441 (2016).
13. Zvezdov A.I., Malinina L.A., Rudenko I.F., Tehnologiya betona i zhelezobetona v voprosah i otvetah (2005).
14. Samchenko S.V. Sul'fatirovannye alyumoferrity kal'ciya i cementy na ih osnove. M.: RHTU im. D.I. Mendeleeva, 2004. 120 s.
15. Huajie Liu, Yuhuan Bu, Ali Nazari, Jay G. Sanjayan, Zhonghou Shen, Construction and Building Materials, 106, 27 (2016).
16. Borisov I.N., Mandrikova O.S., Sintez sul'foferritnogo klinkera dlya proizvodstva bezusadochnyh i rasshiryayuschihsya cementov. Sovremennye problemy nauki i obrazovaniya, 2, 269 (2012).
17. Samchenko S.V., Kazakov S.A., Tehnika i tehnologiya silikatov, 17, 1, 8 (2010).
18. Kuznecova T.V., Krivoborodov Yu.R. Sostav, svoystva i primenenie special'nyh cementov // Tehnologii betonov, 2014. №2. S. 8-11.
19. Krivoborodov Yu.R., Burlov I.Yu. Svoystva rasshiryayuschegosya cementa v zavisimosti ot parametrov proizvodstv // Suhie stroitel'nye smesi, 2015. №2. S. 39-41.
20. Svetlana V. Samchenko, Dmitriy A. Zorin Use sulfoferritic cements in construction // E3S Web of Conferences 33, 02070 (2018), HRC 2017, 9p, https://doi.org/10.1051/e3sconf/20183302070
21. Samchenko S.V., Burlov I.Yu., Burygin I.V. Poluchenie special'nyh cementov razdel'nym pomolom na OAO «Podol'sk-Cement» // Vestnik BGTU. Belgorod, 2005. №10. S. 266-269.
