Эффективность мокрой механоактивации гранита с использованием различных мелющих агрегатов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Эффективность мокрой механоактивации гранита с ипользованием различных мелющих агрегатов

Cherevatova A.V., Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова; Kozhukhova N.I., Zhernovskaya I.V., Mayya Osadchaya, Igor Klepak, Kozhukhova M.I. University of Wisconsin-Milwaukee

Аннотация

Рассматривается возможность получения алюмосиликатных наноструктурированных вяжущих поликондесационно-полимеризационного типа твердения на основе магматических интрузивных пород кислого состава на помольных агрегатах различного типа. Проводится сопоставительный анализ степени механоактивационного воздействия.

Установлено, что наиболее эффективным помольным агрегатом при получении (синтезе) вяжущей системы из гранитного отсева является шаровая мельница, так как содержание частиц нано и микроуровня в данной системе максимально, что в конечном итоге и определяет ее качество, как вяжущего.

Введение

В настоящее время особо остро в масштабах страны стоят проблемы энергосбережения, разработки ресурсосберегающих технологий и снижения энергоемкости производства. Принятые в последнее время правовые и нормативные акты требуют решения данных проблем и в строительной отрасли. Одним из важных аспектов является то, что практически безальтернативным вяжущим для получения широкого спектра строительных материалов является цемент. В связи с высокой энергоемкостью и негативным влиянием производства цемента на экологию возникает потребность в разработке новых техногенных минеральных вяжущих веществ, твердение которых основано на принципиально иных механизмах.

Получение высокоэффективных вяжущих веществ нового поколения сегодня сопровождается использованием сложных составов и компонентов. Создание таких вяжущих возможно только на базе современных высоких технологий, основанных на научных методиках.

Эти вяжущие должны обладать структурообразующими механизмами, отличными от гидратационных. В наибольшей степени этому соответствуют силикатные и алюмосиликатные вяжущие поликондесационно-полимеризационного типа твердения с существенной функциональной и структурообразующей ролью наносистемной компоненты - наноструктурированные безклинкерные вяжущие (НВ).

Основу технологии производства НВ составляет холодный механохимический синтез в водной среде, что является гарантией его экологической безопасности.

Специфика технологии НВ позволяет использовать в качестве основного сырьевого компонента широкий спектр кремнеземсодержащих пород, что дает возможность адаптировать технологию получения вяжущего к различным регионам, в зависимости от локализации месторождений.

В ранее проведенных научных исследованиях [1-3] установлена принципиальная возможность получения НВ на основе кремнеземсодержащих и сиалических пород различного генезиса (кварцевые пески, кварцитопесчаники, кварциты, перлит, цеолитизированные туфы).

Целью данной работы является сравнительный анализ эффективности механоактивационного воздействия с использованием различных типов помольных агрегатов при атермальном синтезе алюмосиликатного вяжущего на основе кислых магматических интрузивных пород (гранитов). Так же ставилась цель выявления наиболее рационального по энергоемкости вида гранита с точки зрения механоактивационной диспергации при получении на его основе наноструктурированного вяжущего.

В настоящее время гранит как сырье достаточно широко используется в различных областях народного хозяйства, в том числе и строительстве.

Вместе с тем, в условиях сложившихся экономических отношений рынок строительных материалов нуждается в конкурентоспособной продукции относительно низкой стоимости. Такая продукция может быть получена на основе техногенного сырья различных отраслей промышленности, в частности, из отсевов дробления гранита при производстве гранитного щебня.

На сегодняшний день утилизация отсевов дробления является одной из серьезных проблем предприятий, производящих щебень. По существующей технологии объемы отсева не могут быть сокращены, и, в зависимости от того, какой фракции производится щебень, выход отсева может составлять до 40% от объема производимого товарного щебня, поэтому эффективное его использование или реализация является актуальной задачей [4, 5]

Общий объем попутно производимых отсевов дробления гранитов в РФ составляет более 19,7 млн. т. в год [6]. Основной объем производства и поставок отсевов (суммарно около 57%) приходится на Северо-Западный (Республика Карелия и Ленинградская обл.) и Центральный регионы (Воронежской обл.).

Предприятия-поставщики отсева предлагают на рынке преимущественно отсев фр. 0-5 мм немытый, нефракционированный, что определяет его дешевизну и широкое применение в дорожном строительстве [7-9].

Применение отсевов щебня в производстве бетонов по мнению авторов [10] сдерживается анизотропной формой зерен и высоким содержанием пылевидных частиц (18-25%).

На отдельных предприятиях с помощью специализированных комплексов производится классификация отсевов по фракциям. Однако эта технология является весьма энергоемкой.

В настоящее время перед специалистами в области строительного материаловедения ставится задача комплексного изучения отсевов дробления различных пород с целью широкого их применения в строительстве.

Следует отметить, что до настоящего времени гранит в различных вяжущих композициях (в том числе и специального назначения) выступал в качестве добавки-наполнителя и не играл какой-либо важной функциональной роли в процессе структурообразования и твердения данных систем [11, 12].

Коллективом специалистов БГТУ им. В.Г. Шухова установлено, что в процессе мокрой механоактивационной диспергации гранитное сырье преобразуется в активную систему, обладающую высокой реакционной способностью и вяжущими свойствами [13].

Идеологической основой для проведения этих исследований являлось представление, что алюмосиликатные, с кристаллохимической точки зрения, сырьевые материалы любого - природного или техногенного происхождения, после достаточно тонкой механоактивационной диспергации могут являться геополимерными вяжущими и без внешней щелочной активации [14, 15].

Возникновение вяжущих свойств происходит по механизму щелочной активации алюмосиликатного геля (геополимеризация по Дж. Давидовичу) [16]. В качестве прекурсоров для синтеза алюмосиликатного геля выступают силикатная (кварц) и алюмосиликатная (полевые шпаты) составляющая гранитов. При этом роль компенсаторов отрицательного заряда тетракоординированной алюмосиликатной компоненты при геополимеризации играют щелочные и щелочеземельные элементы, выщелачивающиеся из полевых шпатов и слюд в процессе механохимического синтеза.

Образование в процессе синтеза вяжущего глобул алюмосиликатного геля, приводит к наноразмерной цеолитизации, формирующей прочностные свойства системы, позволяет классифицировать полученное вяжущее как наноструктурированное.

алюмосиликатный гранит помольный механоактивационный

Материалы

В качестве исходного сырья для получения вяжущего в экспериментальной части исследований использовался гранитный отсев Полтавского месторождения (Гереевский карьер, Украина).

Химический состав образцов гранитного отсева был определен методом рентгенофлюорисцентного анализа (XRF) на ARL 9900 X-rey WorkStation (Termo Scientific), (таблица 1.). Рентгеновские дифракционные спектры получены на дифрактометре ARL X ?tra с использованием CuK 1,2 излучения.

Таблица 1. Химический состав гранита, %

Измерение удельной поверхности проводилось с помощью прибора SoftSorbi-II ver.1.0., В качестве газа-адсорбата использовался азот.

Изучение особенностей изменения гранулометрического состава алюмосиликатного сырья в процессе механоактивации проводилось с помощью лазерного анализатора размеров частиц Fritsch Analysette 22 Nano Tec plus.

Микроструктурные исследования экспериментальных образцов материала проводились на поляризационном микроскопе ПОЛАМ Р-312 и сканирующем электронном микроскопе высокого разрешения TESCAN MIRA 3 LMU с возможностью микрорентгеноспектрального анализа.

Результаты

Минеральный состав гранита, согласно результатам количественного РФА, представлен композицией (масс. %): кварц - 35,9; альбит -51,9; анортит - 3,9; роговая обманка - 3,3 и биотит - 3,9.

Как видим, гранитный отсев имеет полиминеральный компонентный состав, минералы которого очень сильно отличаются как микроструктурными, так и структурно-механическими характеристиками. Следует предположить, что при помоле степень их механоактивации будет различной.

Для проведения сравнительного анализа эффективности механоактивационного воздействия с использованием различных типов помольных агрегатов в работе были использованы планетарная мельница МП4/0,5; вибромельница-истиратель ИВ; шаровая мельница с корундовой футеровкой РМШ-200.

Вяжущее получали методом одностадийного механохимического синтеза в водной среде.

Основным ключевым критерием качественной оценки получаемого вяжущего является повышение содержания в исследуемой системе аморфизированной алюмосиликатной составляющей.

В процессе помола осуществлялся поэтапный мониторинг характера изменения структурных характеристик и химико-минералогического состава исследуемой системы.

Помол проводился до удельной поверхности материала ? 7000 см²/г.

Помол в планетарной мельнице периодического действия МП4/0,5 дает возможность одновременно соединить несколько процессов: активацию (измельчаемый материал приобретает большую реакционную способность) и механохимическое легирование (в результате взаимодействия при помоле получается материал нового состава). Специфика схемы измельчения в планетарной мельнице позволяет создавать перегрузки в десятки раз, многократно увеличивая эффективность помола.

Результаты гранулометрического анализа гранитного отсева, после помола в мельницах различного типа приведены на рисунке. 1.

Помол в вибромельнице-истирателе ИВ-1 дает возможность равномерного измельчения полиминерального сырья различной прочности и твердости до тонкодисперсного состояния. В данном помольном агрегате процесс измельчения интенсифицируется за счет одновременного сочетания вибрационного и истирающего воздействия на измельчаемый материал.

Fig. 1. Granulometry for granite component after milling in: 1 - ball mill; 2 - planetary mill; 3 - vibrating mill

Помол в лабораторной шаровой мельнице РМШ-200 сочетает в себе два типа преобладающих нагрузок, это ударная и истирательная.

В процессе помола, благодаря постепенному понижению объемного содержания жидкости и увеличению сил трения, возрастает температура процесса. С ростом температуры (с 20 ^оС до 110 ^оС) значительно повышается энергия процесса, уменьшается общая вязкость системы, повышается ее текучесть, что позволяет вести помол при повышенных концентрациях.

В результате получена активная минеральная вяжущая система с удельной поверхностью 7300 см²/г, и содержанием частиц менее 5 мкм - 48%.

Проводя общий сопоставительный анализ полученных диаграмм гранулометрического состава гранитного отсева, после помола в мельницах различного типа, пришли к выводу о том, что степень механоактивационного воздействия выше в шаровой и планетарной мельнице (содержание частиц диаметром 0,1 - 0,01мкм: 12 и 4% соответственно). Но содержание частиц диаметром от 1 до 10 мкм в вибро и шаровой мельнице на 30 и 50% больше, чем в планетарной. Модальный диаметр для вяжущей системы, полученной в шаровой мельнице, составил 2,03 мкм, а для систем, полученных на планетарной и вибрационной мельнице: 12,12 и 9,98 мкм соответственно.

Заключение

Таким образом, в результате анализа проведенных исследований, следует сделать вывод о том, что наиболее эффективным помольным агрегатом при получении (синтезе) вяжущей системы из гранитного отсева является шаровая мельница, так как содержание частиц нано и микроуровня в данной системе максимально, что в конечном итоге и определяет ее качество, как вяжущего.

Следует так же отметить, что наиболее рациональным по энергоемкости видом гранита с точки зрения механоактивационной диспергации при получении на его основе наноструктурированного вяжущего следует считать гранит с максимальным содержанием в системе кварца и с наименьшим - биотита.

Список литературы.

1. V.A. Doroganov, Yu.E. Pivinskii, A.V. Cherevatova, Refractories and Industrial Ceramics, 45(3) (2004) 172-176.

2. V.A. Doroganov, Yu. E. Pivinskii, Refractories and Industrial Ceramics, 46(2) (2005) 120-126.

3. Yu.E. Pivinskii, Refractories and Industrial Ceramics, 44(3) (2003) 152-160.

4. N.I. Kozhuhova, I.V. Zhernovskiy, M.S. Osadchaya, V.V. Strokova, R.V. Tchizhov, International Journal of Applied Engineering Research (IJAER), 9 (2014) 16945-16955.

5. N.I. Kozhuhova, I.V. Zhernovskiy, M.S. Osadchaya, V.V. Strokova, R.V.Tchizhov Research Journal of Applied Science, 9(12) (2014) 1034-1039

6. http://stroy.prompages.ru/article.php?id_it=1344

7. Dawei Wang, Xianhua Chen, Xiaoguang Xie, Helge Stanjek, Bernhard Steinauer, Construction and Building Materials, 89 (2015) 25-35

8. A.I. Trautvain, Construction Materials and Products, 2(1) (2019) 17-23.

9. V.V. Yadyikina, A.M. Gridchin, A.I. Trautvain, Yu.P. Chistyakov, Bulletin of BSTU named after V.G. Shukhov, 6 (2015) 149-153.

10. V.A. Artamonov, V.V. Vorobyev, V.S. Svitov, Stroitel'nye materialy, 6 (2003) 28-29.

11. N.I. Alfimova, V.S. Lesovik, A.V. Savin, E.E. Shadsky, Proceedings of Irkutsk State Technical University, 5(88) (2014) 95-99.

12. Sarbjeet Singh, Ravindra Nagar, Vinay Agrawal, Journal of Cleaner Production, 126 (2016) 74-87

13. A.V. Cherevatova, I.V. Zhernovsky, V.V. Strokova Mineral nanostructured binders. Nature, technology and application prospects (LAM LAMBERT Academic Publishing GmbH & Co. KG. Saarbrucken, 2011)

14. N.I. Kozhukhova, V.V. Strokova, M.I. Kozhukhova, I.V. Zhernovsky, Construction Materials and Products, 1(4) (2018) 38-43

15. R.V. Chizhov, N.I. Kozhukhova, V.V. Strokova, I.V. Zhernovsky, Bulletin of BSTU named after V.G. Shukhov, 4 (2016) 6-10

16. Joseph Davidovits, Luis Huaman, Ralph Davidovits, Materials Letters, 235 (2019) 120-124

Размещено на Allbest.ru