Пути повышения качества цемента на ЗАО «КАВКАЗЦЕМЕНТ»

Т.И. ТИМОШЕНКО, канд. техн. наук, доцент, А.С. ФИРСОВА, инженер, М.И. ПЛЯСУНОВА, инженер, Белгородский государственный технологический университет им. В.Г Шухова

 

Рассматриваются вопросы повышения качества цемента за счет использования в его производстве минерализаторов при обжиге клинкера и интенсификаторов помола. В статье также говорится о том, что введение добавок-минерализаторов, таких как оксиды бария, цинка, серы, ускоряет синтез минералов и улучшает размолоспособность клинкера, что в конечном счете повышает качество цемента.

 

Качество и цены на портландцемент во многом зависят от его дисперсности, так как тонкий помол способствует росту суммарной поверхности частиц, что повышает гидратационную активность и прочность цемента. Увеличение дисперсности неизбежно влечет за собой снижение производительности мельниц. Поэтому усилия многих исследователей направлены на поиски путей интенсификации процессов тонкого измельчения.

 

В настоящие время наиболее распространенными являются минимально-затратные способы повышения качества цемента. Это использование в производстве цемента минерализаторов при обжиге клинкера и интенсификаторов помола при его измельчении. В то же время введение в сырьевую смесь добавок-минерализаторов, таких как оксиды бария, цинка, серы, ускоряет синтез минералов и улучшает размолоспособность клинкера, т.е. они являются и интенсификаторами помола.

 

Однако ассортимент добавок-минерализаторов, применяемых при производстве клинкера, ограничивается некоторыми фтористыми и крем нефтористыми солями. Столь небольшое число практически используемых минерализаторов связано с недостаточной изученностью механизма их воздействия на процесс клинкерообразования и, самое важное, с определением оптимальной концентрации в каждом конкретном случае. Выбрать и  купить цемент стало не сложно.

 

Как минерализатор, оксид бария наиболее эффективен при введении его в сырьевую смесь в количестве от 0,3-0,5% до 1% и даже более. Оксид бария понижает вязкость клинкерного расплава и температуру его образования, при этом ускоряется процесс формирования алита, что особенно важно для высокоалитовых клинкеров. Повышение прочности образцов при сжатии обусловлено присутствием C2S в а'-форме. Оксид цинка в количестве до 0,5% также является активным минерализатором при обжиге клинкера и модифицирует преимущественно промежуточную фазу. Следовательно, применение этих добавок позволит воздействовать на эти фазы одновременно.

 

Использование отходов, содержащих барий и цинк, при получении цемента позволяет решить не только экологические задачи, но и открывает заманчивую перспективу существенного понижения расхода топлива и электроэнергии.

 

С целью повышения качества цемента в данной работе использовали шлам и клинкер ЗАО «Кавказцемент»; природный гипсовый камень Новомосковского месторождения; химические реактивы квалификации ЧДА: BaS04 и ZnO; суперпластификатор СБ-5 в сухом виде.

 

На первом этапе было изучено влияние добавок BaS04, ZnO и комплексной добавки BaS04+ZnO на процессы фазообразования, размолоспособность и гидратационную активность при введении их в шлам из расчета содержания каждой в клинкере 0,5%.

 

Влияние добавок на кинетику минералообразования оценивали по данным РФА спеков, полученных при температурах 1250, 1300, 1350, 1400°С. Завершение реакции клинкерообразования контролировали по содержанию СаОсв в клинкере этилово-глицератным методом.

 

По данным рентгенофазо вого анализа (РФА) установлено ускорение процессов минералообразования при обжиге клинкера, полное усвоение свободного оксида кальция и увеличение количества алита. В барийсодержащих клинкерах C2S присутствует в ат-модификации. Наличие оксида цинка изменяет профиль рефлексов С3А и C4AF в диапазоне углов 33-34° вследствие образования алюмоцинката кальция состава 14CaO-5Al203 6ZnO. Цемент цена доступна для всех.

 

Для исследования кинетики помола полученные клинкера дробили до прохождения через сито № 063, затем измельчали в лабораторной мельнице до удельной поверхности -360+10 м2/кг, которую определяли методом воздухопроницаемости (рис. 1а).

 

Из рисунка 1а видно, что клинкер без добавки размалывается до заданной удельной поверхности за 40 минут, с введением 0,5% сульфата бария — за 35 минут, с добавлением оксида цинка — за 30 минут, и самая высокая размолоспособность — у клинкера с комплексной добавкой. Уже через 25 минут помола достигается требуемое значение удельной поверхности 360+10 м2/кг, что сокращает время помола на 25% и, следовательно, снижает расход электроэнергии.

 

Влияние добавок на гидратационную активность синтезированных в лабораторной печи клинкеров определяли по пределу прочности при сжатии образцов-кубиков с размером грани 1,41 см, изготовленных из цементного теста, содержащего 4% природного гипса, с единым В/Ц=0,25.

 

Как видно из представленных данных (рис. 16), прочность образцов в возрасте 2 суток максимальна при содержании BaS04. В возрасте 7 суток цинксодержащие клинкера показали прочность выше, чем клинкер без добавок. В возрасте 28 суток все образцы показали прочность выше контрольного: с введением BaS04 — на 12%; ZnO — на 16%; с комплексной добавкой — на 20%.

 

Установлено, что введение добавок позволяет повысить размолоспособность клинкеров от 12 до 25%, а гидратационную активность — на 12-20%.

 

На втором этапе было исследовано влияние суперпластификатора СБ-5 на размолоспособность и гидратационную активность заводского клинкера. Технология получения СБ-5 заключается в растворении отходов производства резорцина (смолы) в воде при добавлении щелочи и последующей поликонденсации с фурфуролом при Т=75±5°С в течение 40-50 минут [5].

 

Как видно на рис. 2а, с увеличением содержания СБ-5 от 0,05 до 0,5% время помола сокращается с 43 минут до 30 минут по сравнению с бездобавочным образцом, что составляет для минимальной добавки 7%, а для максимальной — 30% времени помола. Продажа цемента осуществляется круглосуточно.

 

Таким образом, при увеличении удельной поверхности дисперсной фазы эффективность действия СБ-5 возрастает в результате того, что он покрывает мономолекулярным слоем частички материала, локализует на них электрические заряды, благодаря чему устраняется налипание на мелющих телах и агрегирование мелких частиц материала друг с другом. При этом понижается поверхностная энергия разрушаемого тела, уменьшается работа образования новых поверхностей. Кроме того, проникая в зародышевые трещины и покрывая развивающиеся новые поверхности твердого тела, СБ-5 резко увеличивает вероятность развития этих дефектов.

 

Влияние количества добавки СБ-5 на нормальную густоту, сроки схватывания, гидратационную активность исследовали в присутствии в клинкерах 4% гипса.

 

Было определено, что с увеличением количества вводимой добавки СБ-5 нормальная густота значительно снижается: от 26% в бездобавочном образце до 18% с добавкой 0,5%, а сроки схватывания возрастают с увеличением содержания добавки. Это связано с наличием на поверхности дисперсной фазы мономолекулярного слоя СБ-5, который увеличивает одноименный заряд частиц и гидрофильность поверхности, вследствие чего агрегативная устойчивость суспензий значительно возрастает. Это приводит к пептизации агрегатов до первичных частиц и высвобождению иммобилизованной (механически захваченной) воды.

 

Влияние количества добавки СБ-5 на размолоспособность  и гидратационную активность заводских клинкеров

Определение гидратационной активности клинкеров проводили в малых образцах-кубиках с размером грани 1,41 см, в возрасте 2, 7, 28 суток.

 

По данным видно, что гидратационная активность заводского клинкера в возрасте 2 суток снижается с повышением содержания СБ-5 в сравнении с бездобавочным образцом, но в дальнейшем набор прочности происходит более интенсивно, чем в цементе без добавки. С увеличением количества СБ-5 от 0,1 до 0,4% прочность образцов возрастает относительно бездобавочного цемента и в возрасте 7 и 28 суток. С дальнейшим увеличением содержания добавки СБ-5 прочность понижается. Это может быть связано с тем, что при передозировке СБ-5 ее избыток адсорбируется на кристаллах новообразований, затрудняя развитие кристаллизационной структуры.

 

При введении 0,05% СБ-5 наблюдается максимальная прочность в возрасте 28 суток, на 13 МПа выше, чем в образце без добавки. Добавка эффективна при содержании в цементе от 0,05% до 0,2%. Такое количество СБ-5 не только улучшит размолоспособность, но и снизит количество воды, обеспечивающее НГ, сроки схватывания будут соответствовать ГОСТ, а гидратационная активность — увеличиваться.

 

Таким образом, повышение качества цемента на ЗАО «Кавказцемент» может быть достигнуто путем ввода добавок (BaS04, ZnO, комплексной добавки BaS04+ZnO) в шлам или путем применения СБ-5 в количестве 0,05% при помоле цемента, что не ведет к значительному повышению себестоимости продукции.

 

 

Библиографический список

1.     Бутт ЮМ. Портландцемент/ЮМ. Бутт, В.В. Тимашев. - М.: Стройиздат, 1974. - 328 с.

2.     Волконский Б.В. Технологические физико-механические и физико-химические исследования цементных материалов/Б.В. Волконский, С Д. Макашев,НИ. Штейерт. - Л.: Стройиздат, 1972. -304 с.

3.     Лугинина ИТ. Сульфат бария в отходах - эффективная добав¬ка / ИТ. Лугинина, Н.Е. Разинькова // Цемент и его применение. - 1996. - № 2, с. 22-24.

4.     Барбанягрэ В Д., Тимошенко Т.Н., Шамшуров В.М., Ильинец A.M. Новые трехкомпонептные соединения в системе CaO-Al^Oj-ZnO, их свойства как индивидуальных вяжущих в составе белого це¬мента // VI Всесоюзн. науч.-техн. совещ. по химии и технологии цемента/Раздел I. - М.: Союзстройматериалы, 1991, с. 128-134.

5.     Шаповалов НА., СлюсарьАА., Мухачев О.В. Долговременная про¬чность бетона с суперпластификатором СБ-5: тез. докл. 17межрешо-нальной науч.-практич. конференции. - Красноярск, 1999, с. 117-118.