ОСОБЕННОСТИ КОАГУЛЯЦИОННОЙ СТРУКТУРЫ ШЛАМА БЕЛОГО ЦЕМЕНТА

Черняк Лев Павлович

д-р техн. наук, профессор НТУУ «КПИ», г. Киев

E-mail:

Миронюк Алексей Владимирович

канд. техн. наук, ассистент НТУУ «КПИ», г. Киев

E-mail:

" rel="nofollow" title="

">

Дорогань Наталия Александровна

аспирант НТУУ «КПИ», г. Киев

E-mail:

Химическая технология белого цемента имеет ряд отличительных особенностей, включающих ограничения по химическому составу сырья, операции по отбеливанию клинкера, введение специальных добавок и увеличение тонины помола [1, 2]. Использование при этом мокрого и комбинированного способов производства позволяют достичь высокой степени гомогенизации сырьевой смеси в процессе подготовки шлама, анализ структурно-механических и реологических свойств которого, предпринятый в данной работе, важен для оптимизации технологических параметров.

Выбор и характеристика сырья

В соответствие с требованиями химической технологии производства белого цемента по минимизации содержания в исходном сырье красящих оксидов в данной работе использовали как карбонатный компонент обогащенный новгород-северский мел, как глиноземсодержащий компонент обогащенный каолин КС-1, кварцевый песок.

Новгород-Северское месторождение мела с запасами 242 млн. т. является одним из наибольших в Европе. На базе месторождения работает ЗАО "Новгород-Северский завод строительных материалов", который специализируется на добыче и производстве обогащенного тонкодисперсного мела (ГОСТ 12085-88).

Мел, основным породообразующим минералом которого является кальцит CaCO₃, отличается высокими показателями белизны и дисперсности (табл. 1).

Таблица 1.Физико-химические показатели мела

Содержание основного породообразующего минерала каолинита Al₂O₃•2SiO₂ •2H₂O в первичных каолинах Украины составляет 55-60 мас. %, а после обогащения возрастает до 90 мас. % (табл. 2).

Таблица 2. Физико-химические показатели каолина (ГОСТ 21286 – 82)

Кварцевый песок месторождений Харьковской обл. после добычи, измельчения и обогащения содержит малые примеси оксидов железа и глины.

Расчет состава сырьевой смеси АМ5 для получения клинкера белого цемента был проведен на основе анализа химического состава проб компонентов при заданных значениях коэффициента насыщения КН=0,87 и силикатного модуля n=3,4 (табл. 3, 4).

Таблица 3. Химический состав сырьевых материалов, (мас. %)

Рассчитанный таким образом состав сырьевой смеси содержит, мас. %: мел ММС-1 80,1, каолин КС-1 8,5, песок кварцевый 11,4.

Таблица 4. Химический состав сырьевой смеси и клинкера, (мас. %)

Полученные исходя из расчетного состава клинкера значения коэффициента насыщения KH=0,86, силикатного n=3,35 и глиноземного p=19,91 модулей отвечают характеристикам белого цемента.

Принятый в работе для сравнения шлам сырьевой смеси Np для получения портландцемента типа ПЦ-1 характеризуется типовым составом, мас. %: известняк 80,0, глина полиминеральная 20,0.

Анализ структурно-механических и реологических характеристик цементного шлама

Главной задачей структурно-механического анализа является определение параметров коагуляционной структуры минеральных дисперсий, в данной работе - цементного шлама [3-5]. С этой целью на приборе Вейлера-Ребиндера снимали кривые течения при различных нагрузках, а затем по графической зависимости быстрой и медленной эластических, а также скорости пластической деформаций от нагрузки рассчитывали характеристики и определяли структурно-механический тип системы.

Показатели реологических свойств шлама определяли с использованием ротационного вискозиметра “Reotest-2”. При этом эффективную вязкость системы измеряли в диапазоне градиента скорости сдвига 3 – 1310 с^-1 при 20 ⁰С.

Реологические характеристики шлама определялись на основе анализа графических зависимостей эффективной вязкости и скорости сдвига от напряжения сдвига.

Исследование деформационных процессов водных дисперсных систем показало (табл. 3, 4), что по характеру развития деформаций - быстрой эластической ε₀’, медленной эластической ε₂’ и пластической ε₁’τ пробы шлама относятся к IV-му структурно-механическому типу, когда ε₁’τ > ε₀’ > ε₂’.

Таблица 5. Структурно-механические характеристики  проб цементного шлама

Вместе с тем имеет место существенное различие в количественных значениях и соотношении указанных разновидностей деформации. Так шлам белого цемента АМ5 отличается от шлама Np меньшим развитием ε₀’ і ε₂’, ε₁’τ, которые составляют 0,32∙10⁸, 0,09∙10⁸, 1,66∙10⁸ против соответственно 0,61∙10⁸, 0,16∙10⁸, 7,02∙10⁸.

Следовательно в шламе АМ5 по сравнению с Np при замене полиминеральной монтмориллонитсодержащей глины на смесь каолина и кварцевого песка уменьшается число наиболее прочных контактов частиц типа угол-угол, угол-ребро, ребро-ребро, характерных для развития ε₀’, а также типа плоскость-угол, плоскость-ребро, плоскость-плоскость, характерных для развития ε₂’.

Преобладающее развитие пластических деформаций ε₁’τ указывает на неустойчивость и хорошую текучесть проб шлама. При этом устойчивость, определяемая коэффициентом К_у=ε₀’ / C (где С – концентрация дисперсной фазы), в случае шлама АМ5 существенно больше – 0,25 против 0,12.

Независимо от указанных особенностей в количестве и соотношении разновидностей деформации  шлам белого цемента характеризуется большим, чем шлам Np, условным модулем деформации E_ε, который указывает на силу молекулярного взаимодействия и энергию связи частиц дисперсной фазы.

Повышение прочности шлама ВМ5 подтверждается также значительным ростом статического P_k1 и динамического Рк₂ пределов текучести.

Таблица 6. Реологические показатели проб цементного шлама

Полученные экспериментальные данные показывают, что при равной концентрации дисперсной фазы упрочнение и повышение вязкости пробы белого цемента определяются, главным образом, большим числом контактов частиц в водной системе мел-каолин-кварцевый песок по сравнению с системой известняк-полиминеральная глина в случае пробы Np. В свою очередь, это связано с различием минералогического состава сравниваемых сырьевых смесей - повышением концентрации кальцита и каолинита в случае пробы АМ5.

Выводы

1.  Важным условием оптимизации состава сырьевой смеси для производства портландцемента мокрым и комбинированным способами является достижение определенных параметров коагуляционной структуры шлама.

2.  Структурно-механические и реологические свойства шлама как водной дисперсной системы зависят от химико-минералогического состава, свойств поверхности, размера частиц и концентрации дисперсной фазы. При этом повышение концентрации кальцита и каолинита в сырьевой смеси для получения клинкера белого цемента способствует увеличению числа и прочности контактов частиц в водной дисперсной системе.

3.  Комплексное использование тонкодисперсного мела, каолина и кварцевого песка в составе сырьевой смеси способствует повышению кинетической стойкости шлама, что имеет позитивное практическое значение для технологических операций его подготовки, накопления и транспортировки.

Список литературы:

1.            Богомолов Б. Н., Голыбин A. M., Полхлеб Т. В., Шейко А. Н. Разработка технологии производства цветных цементов в Сибири // Технология белого и цветных цементов. Ростов н/Д, 1965. - C. 50 -59.

2.            Грачьян А. Н., Гайджуров П. П., Зубехин А. П., Вэтыч Н. В. Технология белого портландцемента. М.: Стройиздат, 1970. - 72 с.

3.            Круглицкий Н. Н. Основы физико-химической механики. Ч.3. К.: Вища школа, 1977. - 136 с.

4.            Ничипоренко С. П., Круглицкий Н. Н., Панасевич А. А., Хилько В. В. Физико-химическая механика дисперсных минералов. / Под общ. ред. Ничипоренко С.П.   К.: Наукова думка, 1974. - 246 с.

5.            Ребиндер П. А. Физико-химическая механика. – М.: Знание, 1958. - 64 с.