CC BY
27
УДК 666.972:532.614
ЛОТОВ ВАСИЛИЙ АГАФОНОВИЧ, докт. техн. наук, профессор, valotov@tpu. ru
КУТУГИН ВИКТОР АЛЕКСАНДРОВИЧ, канд. техн. наук,
ст. преподаватель,
kutugin@tpu.ru
Томский политехнический университет,
634,05, г. Томск, пр. Лениниа, 30
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЦЕНТРОБЕЖНОГО СМЕСИТЕЛЯ-ДЕЗИНТЕГРАТОРА ПРИ ПРИГОТОВЛЕНИИ БЕТОННЫХ СМЕСЕЙ
В статье представлены результаты испытания нового способа приготовления бетонной смеси с использованием центробежного смесителя-дезинтегратора роторного типа. Интенсивное и концентрированное механическое воздействие провоцирует развитие механохимических реакций в смеси, которые увеличивают поверхностную энергию системы, и приводят к образованию качественной и однородной смеси, из которой формируется прочная цементно-песчаная матрица бетона.
Ключевые слова: цемент; песок; смесители; механохимическая активация; гидратация; высокопрочные бетоны.
LOTOV, VASILYAGAFONOVICH, Prof. Dr. Tech. Sc., valotov@tpu. ru
KUTUGIN, VICTOR ALEKSANDROVICH, Ph.D., Assoc. Prof.,
kutugin@tpu.ru
Tomsk Polytechnic University,
30 Lenin Avenue, Tomsk, 634005, Russia
CENTRIFUGAL MIXER DISINTEGRATOR AT PREPARING THE CONCRETE MIXES
The results of tests of a new method of preparation of concrete mix using a centrifugal mixer rotary disintegrator are presented in the article. The intense and concentrated mechanical action provokes mechanochemical reactions in the mixture, which increase the surface energy of the system, and lead to the formation of high-quality and homogeneous mixture, forming a solid cement-sand matrix of concrete.
Key words: cement; sand; mixers; mechanochemical activation; hydration; high-strength concrete.
Бетон является сложным композиционным материалом, потенциальные возможности которого до настоящего времени используются не в полном объеме. Производителей бетона и изделий на его основе, прежде всего, интересует проблема получения прочного бетона при минимальном расходе цемента, и для ее решения постоянно совершенствуются расчетно-экспериментальные методы подбора состава бетонной смеси, используются различные добавки, ускоряющие твердение цемента, суперпластификаторы, добавки микрокремнезема
© В.А. Лотов, В.А. Кутугин, 2013
и многое другое. Вместе с тем, сама технология изготовления бетона остается незыблемой и состоит из операций дозирования компонентов бетонной смеси, перемешивания их в бетоносмесителе и приготовления бетонной смеси, формования изделий и их тепловлажностной обработки [1].
Из всех этих операций наименее изученной является операция приготовления бетонной смеси, и поэтому считают, что введение дополнительных операций предварительной обработки и подготовки таких компонентов бетонной смеси, как цемент и мелкий заполнитель перед окончательным перемешиванием, позволит существенно повысить прочность бетона.
В патентной и технической литературе приводится большое количество новых способов приготовления бетонных смесей, которые можно разделить на две группы. К первой группе относятся способы, в которых предлагается изменять последовательность подачи компонентов смеси, добавок и воды в бетоносмеситель при его работе. Эти способы позволяют достичь повышения прочности бетона, но по сути они не отличаются от распространенного способа, а эффект повышения прочности достигается в основном за счет использования суперпластификаторов и других добавок. Ко второй группе относятся способы, включающие предварительно активацию цемента путем совместного помола его в шаровой мельнице с небольшим количеством сухого песка. Такие способы также не приводят к существенному увеличению прочности бетона, и повысить его эффективность можно только при совместном помоле всего расчетного количества песка и цемента. Однако при использовании в качестве помольного оборудования шаровых мельниц возникают проблемы с сушкой песка и увеличения энергозатрат на приготовление бетонной смеси.
Целью настоящей работы является исследование процесса приготовления бетонной смеси по новому способу, обеспечивающему достижение её высокой однородности и качества [2].
Сущность способа заключается в том, что смешение компонентов бетонной смеси осуществляется в следующей последовательности: сначала перемешиваются портландцемент и мелкий заполнитель (кварцевый песок) с естественной влажностью 3-5 % в центробежном смесителе-дезинтеграторе роторного типа в течение 1-2 минут, при необходимости дополнительно увлажняются, после чего полученная сыпучая смесь с конечной влажностью не более 5-8 % поступает в бетоносмеситель, в который подается крупный заполнитель (щебень, гравий) и остальное количество воды для совместного перемешивания всех компонентов бетонной смеси расчетного состава в течение 3-4 минут.
При проверке предлагаемого способа использованы следующие материалы: портландцемент М500 (ГОСТ 10178-85), гравий фракции 5-20 мм (ГОСТ 82690-97), мелкий заполнитель: песок для строительных работ с модулем крупности Мкр = 2,6 (ГОСТ 8736-93) и вода. Компонентный состав бетона рассчитан на получение подвижной смеси с осадкой конуса ОК=5-11см и бетона с прочностью 30 МПа. Мелкий заполнитель с естественной влажностью 3,5 % (абс.) и портландцемент подавали в центробежный смеситель роторного типа и перемешивали в течение 1-2 минут. В процессе перемешивания смесь
дополнительно увлажняли до максимальной молекулярной влажности 5-8 % (абс.) с целью достижения наиболее полного смачивания всех частиц смеси мономолекулярной пленкой воды. Увлажнение смеси более 8 % нежелательно, т. к. при этом уменьшается сыпучесть смеси и увеличивается ее налипание на рабочие органы смесителя.
Далее цементно-песчаная смесь подавалась в бетоносмеситель и перемешивалась с гравием и остаточным количеством воды в течение 3 минут до получения однородной бетонной смеси. Из приготовленных смесей заформо-ваны образцы-кубы размером 10*10x10 см, у которых определялась прочность при сжатии после пропаривания по режиму 2+7+3 ч и после твердения в воздушно-влажных условиях в течение 28 суток.
В составе цементно-песчаных смесей для рядовых бетонов соотношение между цементом (Ц) и песком (П) колеблется в пределах Ц:П = = (26:74) - (45:55) % (масс.) с преобладанием песка в смеси. Частицы кварцевого песка обладают более высокой твердостью и прочностью по сравнению с частицами цемента и поэтому при скоростном смешении цементно-песчаной смеси, частицы песка выполняют роль абразивных мелющих тел.
При контакте влажного песка и цемента, вода начинает интенсивно взаимодействовать с частицами цемента с образованием в поверхностном слое цементных частиц первичных продуктов гидратации - гидроксида кальция, гидросиликатов и гидросульфоалюминатов кальция. За счет этого взаимодействия происходит аморфизация и дополнительное диспергирование поверхностного слоя частиц цемента, который легко сдирается частицами песка и образует в цементно-песчаной смеси фракцию высокоактивных частиц нанодисперсного (6-11 нм) размера.
При интенсивном механическом воздействии на цементно-песчаную смесь происходит также удаление адсорбированного воздуха с поверхности частиц и замещение его пленкой воды толщиной в несколько молекул, особенно, на свежеобразованных плоскостях разрушения частиц кварцевого песка. На этих плоскостях и частицах кварцевого песка происходит конденсация преимущественно нанодисперсных частиц продуктов гидратации цемента за счет адгезионного взаимодействия (микрокапсулирование частиц песка) и достигается равномерное распределение цемента и воды во всех микрообъемах цементно-песчаной смеси.
При перемешивании полученной цементно-песчаной смеси с крупным заполнителем и остальным количеством воды в бетоносмесителе вода быстро и равномерно распределяется по всему объему бетонной смеси, что позволяет сократить время перемешивания бетонной смеси с 6-8 до 3-4 мин.
Составы бетонных смесей и результаты испытаний представлены в табл. 1, которые подтверждают эффективность предлагаемого способа с использованием центробежного смесителя-дезинтегратора роторного типа для предварительного смешения влажного песка с цементом при приготовлении бетонных смесей. Следует обратить внимание на состав № 5, в котором содержание цемента снижено на 15 % по сравнению с составом, рассчитанным на получение бетона марки 300, тем не менее, прочность бетона, полученного на основе состава № 5, составляет 44,3 МПа. Из этого следует, что используя
предлагаемый способ приготовления бетонной смеси можно сократить расход наиболее дорогого компонента бетонной смеси - цемента, более чем на 15 %.
Таким образом, использование предлагаемого способа, обеспечивающем интенсивное, концентрированное механическое воздействие на цементно-песчаную смесь, содержащую небольшое количество воды, не превышающее максимальную молекулярную влажность 5-8 % [3], способствует развитию и интенсификации процессов гидратации и диспергирования цемента, сопровождаемых повышением температуры смеси до 45-50 °С за время перемешивания в течение 1-2 мин.
Удаление адсорбированного воздуха с поверхности частиц и дополнительное измельчение частиц песка способствует равномерному распределению влаги, цемента и продуктов его гидратации по всему объему смеси.
Происходящие при смешении влажного песка и цемента физикохимические процессы позволяют сократить время приготовления бетонной смеси в два раза, повысить ее однородность и снизить энергозатраты на перемешивание в бетоносмесителе. Использование в предлагаемом способе мелкого заполнителя с естественной влажностью 3-5 % (абс.) исключает из технологического процесса сушку песка и его помол с цементом в шаровых мельницах или в других измельчителях. Достигаемая высокая однородность цементно-песчаной смеси позволяет снизить водопотребность бетонной смеси и сформировать плотную и прочную цементно-песчаную матрицу в бетоне, что приводит к увеличению прочности бетона на 59-77 % по сравнению с бетоном, полученным по стандартной технологии (состав № 1).
Для более наглядного представления о сути нового способа приготовления бетонной смеси необходимо кратко рассмотреть конструктивные особенности смесителя-дезинтегратора роторного типа.
Таблица 1
Составы бетонных смесей и результаты испытаний бетонов
№ со- ста- ва Состав бетонной смеси, кг на 1 м3 бетона Время смешивания цемента и песка в центробеж ном смесителе, мин Время перемешивания в бетоносмесителе, мин ОК, см Прочность при сжатии, МПа
Порт- ланд- цемент М500 Песок для строительных работ, Мк=2,6 Гравий фр. 5-20 мм Во- да В/Ц После пропа- рива- ния После 28- суточ- ного твер- дения
1 320 610 1250 170 0,53 - 5 7 28,6 36,7
2 320 610 1250 170 0,53 1 3 9 29,4 58,4
3 320 630 1282 150 0,45 1 5 8 39,5 65,2
4 320 630 1282 150 0,45 2 3 9 37,5 64,5
5 272 650 1341 150 0,55 1 3 9 28,3 44,3
6 551 492 1186 220 0,40 Помол цемента с 2,5% песка в шаровой мельнице 5 9 32,4 43,5
7 551 492 1186 220 0,40 1 3 8 33,7 68,5
Центробежный смеситель содержит цилиндрический вращающийся корпус (барабан) с днищем, в котором материал под действием центробежной силы прижимается к внутренней стенке барабана в виде цилиндрического слоя определенной толщины, а вращающийся внутри барабана в противоположном направлении соосно расположенный ротор, содержит гребенки с рабочими пальцами, расположенными перпендикулярно оси вращения ротора и барабана и погруженными в слой измельчаемого материала [4]. Схема устройства смесителя периодического действия представлена на рисунке.
Вий А
Схема центробежного смесителя-дезинтегратора роторного типа
На конце вала, входящего в корпус на половину его длины неподвижно закреплены перпендикулярно валу стойки 1 в количестве от 2 до 6, причем стойки закреплены симметрично относительно оси вращения вала для обеспечения равномерности его вращения. К торцам стоек, параллельно оси вращения, жестко крепятся планки 2, на которых, перпендикулярно оси вращения, жестко и равномерно по длине планок закреплены рабочие органы ротора -пальцы 3. Планки с пальцами образуют гребенки, а гребенки со стойками образуют ротор смесителя-дезинтегратора. Зазор между внутренней стенкой барабана и пальцами гребенки должен быть минимальным, не более 2-5 мм.
На рисунке изображен ротор, образованный четырьмя стойками с гребенками (крестообразный ротор).
Цилиндрический корпус и ротор приводятся во вращательное движение через индивидуальные шкивы 4, 5 и клиноременные передачи от индивидуальных двигателей (на чертеже не показаны). Цилиндрический корпус подвижно закреплен на валу ротора, который закреплен в подшипниках на опоре 6.
Смеситель работает следующим образом. Исходный зернистый материал загружается внутрь цилиндрического корпуса 7 и закрывается съемной крышкой 8, после чего приводятся в движение сначала ротор, а затем цилиндрический корпус. При вращении корпуса обрабатываемый материал под действием центробежных сил прижимается к внутренней цилиндрической поверхности корпуса и образует уплотненный слой толщиной 5-20 см в зависимости от длины пальцев гребенки и количества загружаемого материала. Частота вращения корпуса, об/мин, должна быть выше критического числа оборотов п, определяемого по формуле
42,4
п >
где Б - внутренний диаметр барабана, м.
Максимальная скорость вращения барабана предопределяется прочностью конструкции и диаметром барабана.
При работе смесителя ротор вращается в противоположном направлении. Пальцы гребенок, погруженные в уплотненный слой материала, заставляют двигаться часть зернистого материала также в противоположном направлении, взрыхляя уплотненный слой материала. При этом формируются два взаимно направленных вихревых потока материала, в которых частицы движутся навстречу друг другу с большой скоростью. При соударении частиц происходит их разрушение, диспергирование за счет абразивного воздействия и тщательное перемешивание во всем объеме обрабатываемого материала.
Основным преимуществом смесителя-дезинтегратора является упорядоченное движение частиц в ограниченном объеме двух взаимонаправленных потоков материала в течение всего времени воздействия на него. В известных быстроходных смесителях преобладает хаотическое движение частиц и возможность их соударения является небольшой, а время пребывания измельчаемого материала в рабочей зоне, например, дезинтегратора практически невозможно регулировать.
В используемом смесителе постоянное пребывание пальцев гребенок в слое измельчаемого материала и большая скорость их окружного движения приводят к образованию перед пальцами защитного конуса материала по всей их длине, который предохраняет пальцы от абразивного воздействия материала и уменьшает их износ. Поэтому необходимо использовать пальцы, имеющие в поперечном сечении не только круглую, но и шестигранную, пятигранную, четырехгранную и трехгранную форму, а пальцы должны быть обращены навстречу потоку абразивного материала перпендикулярно одной из боковых граней. При измельчении или перемешивании мягких материалов пальцы можно установить навстречу потоку одним из боковых ребер призмы.
Для периодической очистки пальцев от налипающего материала и вибрационного воздействия на потоки материала, смеситель-дезинтегратор снабжен вибрационным устройством 9, подвижно связанным с валом и ротором устройства.
Интенсивное воздействие на материал, достигаемое в смесителе за счет концентрации энергии в сравнительно небольшом объеме обрабатываемого материала, позволяет достичь поставленных целей в течение 1-5 мин. При необходимости время обработки можно увеличить.
Проверку интенсивности воздействия на материал проводили в смесителе периодического действия с внутренним диаметром барабана 0,6 м, длиной образующей барабана 0,4 м. Крестообразный ротор смесителя образован четырьмя стойками и четырьмя гребенками. Гребенки содержали по 9 рабочих пальцев диаметром 10 мм и высотой 70 мм. Зазор между внутренним диаметром барабана и пальцами 2 мм. Число оборотов барабана -1250 об/мин, ротора - 1250 об/мин. Мощность приводных двигателей бараба-
на и ротора - по 2 кВт. Загружаемый материал - смесь цемента (Ц) и влажного песка W = 3,5 % (П) в соотношении Ц:П = 0,35:0,65. Общее количество загружаемого материала 4-8 кг. Исходная смесь имела удельную поверхность 1730 см2/г (173м2/кг).
Линейная скорость движения частиц наружного слоя - 39,2 м/с, внутреннего ^ = 0,4 м) - 26,2 м/с, средняя скорость - 32,7 м/с. При встречном движении барабана и ротора относительная скорость взаимного движения и соударения частиц удваивается и составляет соответственно: Утах = 78,4 м/с, Кпт = 52,4 м/с, ^р = 65,4 м/с. Время обработки цементно-песчаной смеси изменялось в пределах 1-5 мин с интервалом 1 мин. Во время перемешивания смесь нагревалась до 45-50 °С, что свидетельствует об интенсивном протекании процессов гидратации, а после обработки частицы песка были равномерно покрыты тонким, плотным слоем цемента и продуктами его гидратации. После обработки из смеси отбиралась проба массой 10-15 г, высушивалась при температуре 110-120 °С, после чего у пробы определялась удельная поверхность по методу фильтрации воздуха через слой материала (ПСХ-2). Результаты определений представлены в табл. 2. Анализ этих данных показывает, что достигаемая в центробежном смесителе-дезинтеграторе скорость измельчения, недостижима в известных конструкциях смесителей-измельчителей.
Удельная поверхность при измельчении цементно-песчаной смеси в пределах 3800-4 250 см2/г достигается при помоле в шаровой мельнице в течение 4-6 ч, в вибромельнице - не менее 1 ч, в дезинтеграторе при многократном повторном измельчении - за 1,5 ч, в планетарной мельнице - за 20-30 мин измельчения.
Необходимо отметить, что смеситель-дезинтегратор можно использовать во всех технологиях, связанных с необходимостью измельчения и перемешивания сыпучих, зернистых и порошкообразных материалов, а также при переработке пастообразных материалов.
Таблица 2
Изменение удельной поверхности цементно-песчаных смесей после обработки в центробежном смесителе-дезинтеграторе
№ опы- та Масса загруж. смеси, кг Толщина слоя смеси, см Время обработки, мин Уд. поверхность смеси после обработки, см2/г Увеличение удельной поверхности
1 4 5,2 1 2620 1,51
2 4 5,2 2 3250 1,88
3 4 5,2 3 3500 2,02
4 4 5,2 5 3900 2,25
5 6 8,0 1 2710 1,57
6 6 8,0 2 3350 1,94
7 6 8,0 3 3620 2,09
8 6 8,0 5 4250 2,45
9 8 10,5 1 2500 1,44
10 8 10,5 2 3300 1,91
11 8 10,5 4 3650 2,11
12 8 10,5 5 3870 2,24
Предлагаемый способ приготовления бетонной смеси с использованием новой конструкции смесителя-дезинтегратора роторного типа рекомендуется использовать на всех предприятиях, изготавливающих строительные изделия из бетона и железобетона и, особенно, при производстве высокопрочного бетона.
В случае применения при производстве бетона различных ускорителей твердения, которые вводятся в состав бетонной смеси в небольших количествах, использование предварительного смешения в центробежном смесителе увлажнённого песка, цемента и добавки позволит существенно увеличить эффективность действия этой добавки за счёт более равномерного её распределения по объёму смеси.
Библиографический список
1. Баженов, Ю.М. Технология бетонных и железобетонных изделий / Ю.М. Баженов, А.Г. Комар. - М. : Стройиздат, 1984. - 672 с.
2. Пат. 2405758 Российская Федерация. Способ приготовления бетонной смеси / О.Г. Тар-беев, В.А. Лотов, В.А. Кутугин ; опубл.10.12.2010, БИ № 34.
3. Ломтадзе, В.Д. Физико-механические свойства горных пород. Методы лабораторных исследований / В.Д. Ломтадзе. - Л. : Недра, 1990. - С. 150-151.
4. Пат. 2421280 Российская Федерация. Центробежный смеситель-дезинтегратор роторного типа / О.Г. Тарбеев, В.А. Лотов, С.О. Тарбеев ; опубл.20.06.2011, БИ № 17.
References
1. Bazhenov Ju.M., KomarA.G. Tehnologija betonnyh i zhelezobetonnyh izdelij [The technology of concrete and reinforced concrete products]. - Moscow : Strojizdat, 1984. - 672 p.
2. Pat. № 2405758 Rossijskaja Federacija. Sposob prigotovlenija betonnoj smesi [Method of preparation of concrete] / Tarbeev O.G., Lotov V.A., Kutugin V.A. - opubl. 10.12.2010, BI №34.
3. Lomtadze V.D. Fiziko-mehanicheskie svojstva gornyh porod. Metody laboratornyh issledo-vanij [Physical and mechanical properties of rocks. Methods of laboratory researches]. - L. : Nedra, 1990. - pp.150-151.],
4. Pat. № 24212804 Rossijskaja Federacija. Centrobezhnyj smesitel'-dezintegrator rotornogo tipa [Centrifugal mixer rotary disintegrator] / Tarbeev O.G., Lotov V.A., Tarbeev S.O. - opubl. 20.06.2011, BI №17.
