Влияние частиц цемента различной дисперсности на его свойства
РЕФЕРАТ. Размер частиц цемента является важнейшим фактором, влияющим на его свойства. Исследованы химический и минералогический составы узких фракций цемента и измерена прочность затвердевшего цементного теста, приготовленного из этих фракций. Прочность растет с увеличением удельной поверхности фракций, причем фракция 3—15 мкм способствует набору прочности преимущественно в возрасте 3 сут, тогда как фракция 16—30 мкм имеет значение для формирования прочности в возрасте 28 сут. Причина этого заключается в том, что в мелких фракциях содержится больше C3S, в крупных — больше C2S.
Keywords: фракции с узким распределением частиц по размерам, минералогический состав, удельная поверхность.
Keywords: narrow particle size fractions, mineral compositions, specific surface area.
1. Введение
Тонкость помола цемента всегда рассматривалась в качестве одного из основных факторов, влияющих на его свойства. Этот параметр можно характеризовать результатами ситового анализа, значением удельной поверхности и распределением частиц по размерам (гранулометрическим составом) [1, 2]. Хотя данные ситового анализа и удельная поверхность используются в производстве цемента в качестве обычных контрольных параметров, в большей степени на свойства цемента влияет гранулометрический состав. Согласно некоторым предположениям, содержание в цементе частиц размерами меньше 3 мкм должно быть менее 10 %, а размерами 3—30 мкм — более 65 %; при этом чем меньше содержание частиц размерами больше 60 мкм и меньше 1 мкм, тем лучше это сказывается на свойствах цемента [3]. В работах [4—6] исследовано влияние гранулометрического состава цемента на его свойства. Полученные результаты показали, что гранулометрический состав должен быть основным параметром, контролируемым при промышленном помоле. Морфология частиц цемента также влияет на его свойства. При помоле клинкера с использованием различных помольных механизмов можно получить цемент различной морфологии и гранулометрии. B работах [7, 8] исследовалось влияние способа помола (пресс-валки и шаровая мельница) на физические и химические свойства цемента и его минералогический состав. Результаты показали, что цемент, полученный путем измельчения в валках высокого давления, имеет более высокую водопотребность, тогда как цемент, полученный путем помола в шаровых мельницах, обеспечивает более высокую прочность. В данной работе исследованы характеристики узких фракций цемента, полученного путем помола клинкера в шаровой мельнице.
2. Экспериментальная часть
Для помола в лабораторной шаровой мельнице диаметром и длиной 305 мм использовали товарный клинкер QP. Химический состав продукта измельчения определяли по стандарту GB/T176—2008 «Методы химического анализа цемента» (табл. 1). Основными химическими компонентами клинкера являются CaO, SiO2, Al2O3 и Fe2O3; потери при прокаливании (П.П.П.) составили 0,80 %. Разделение частиц клинкерного порошка на фракции производили при помощи струйной мельницы с псевдоожиженным слоем CGS 10 (рис. 1). Гранулометрический состав и удельную поверхность порошка и его отдельных фракций определяли с помощью лазерного анализатора размера частиц и аппарата Блейна.
Рис. 1. Интегральное (а) и дифференциальное (б) распределение частиц по размерам для клинкерных порошков с различной удельной поверхностью
3. Результаты и их обсуждение
3.1. Удельная поверхность. Путем помола клинкера QP были получены три вида порошков с удельной поверхностью 320, 360 и 400 м2/кг, которые обозначили соответственно QP-S1, QP-S2 и QP-S3. Их гранулометрический состав, определенный с помощью лазерного анализатора размера частиц, представлен на рис. 1. Видно, что с увеличением удельной поверхности порошков в них увеличивается содержание частиц размером 20—60 мкм (рис. 1, а). Дифференциальные кривые, представленные на рис. 1, б, также подтверждают, что по мере увеличения удельной поверхности порошков возрастает вклад частиц с малыми размерами. При достижении удельной поверхностью значения 400 м2/кг содержание частиц размерами более 100 мкм становится незначительным.
Параметры уравнения Розина—Раммлера—Беннета (РРБ) для полученных клинкерных порошков представлены в табл. 2. Полученные данные показывают, что чем выше удельная поверхность образца, тем меньше характеристический размер частиц и выше степень однородности порошка, что, как считается, благоприятно сказывается на свойствах цемента.
Перед испытанием на прочность порошки QP-S1, QP-S2 и QP-S3 смешали с гипсом (5 масс. %). Далее из них приготовили образцы теста нормальной густоты, которые заложили в формы-кубики размерами 20 × 20 × 20 мм. Образцы выдержали в формах 24 ч при 20 ± 2 °C и влажности 100 %; последующее хранение осуществляли в воде. Согласно рис. 2, чем мельче клинкерный порошок, тем выше ранняя прочность цементного теста, особенно в возрасте 3 сут.
Рис. 2. Прочность на сжатие образцов цементного теста
3.2. Химический состав узких фракций. Клинкерный порошок с удельной поверхностью 400 м2/кг разделили на следующие фракции: 0—3 (P1), 3—16 (P2), 16—32 (P3), 32—45 (P4), 45—64 (P5) и 64—80 мкм (P6); нефракционированный материал был обозначен P0. Результаты гранулометрического анализа фракций, полученные с помощью лазерного анализатора, представлены на рис. 3.
Рис. 3. Интегральное распределение частиц по размерам для фракций клинкерного порошка
В табл. 3 представлены данные по химическому составу узких фракций. Видно, что крупные фракции отличаются более высоким содержанием SiO2, Fe2O3 и MgO, в то время как у мелких более высокие показатели П.П.П. и содержание SO3, причем наиболее высокое значение П.П.П. (5,68 %) наблюдается в самой мелкой фракции порошка P1. Компонент CaO сосредоточен в средних фракциях P3 и P4.
3.3. Минералогический состав частиц в узких фракциях. Наиболее важной характеристикой цемента является его минералогический состав. Данные, полученные с помощью количественного рентгенофазового анализа с методом Ритвельда (табл. 4), показывают, что содержание C3S в узких фракциях снижается с увеличением размера частиц, а содержание C2S, напротив, возрастает. Например, во фракции 0—3 мкм содержание C3S достигает 73,5 %, тогда как содержание C2S снижается до 8,1 %. Из табл. 4 видно, что для фракционированных порошков не выявлено значительных различий в содержании C3A, однако вследствие плохой размалываемости ферритовой фазы в крупных фракциях содержится больше C4AF.
3.4. Прочность на сжатие затвердевших паст, приготовленных из узких фракций клинкерного порошка. Прочность затвердевших паст, приготовленных из узких фракций клинкерных порошков с 5 масс. % гипса, представлена в табл. 5. Отчетливо видно влияние размера частиц на раннюю прочность образцов и на дальнейший набор прочности. Представляется, что порошок с размером частиц 3—15 мкм в значительной степени влияет на 3-суточную прочность, а порошок с размером частиц 16—30 мкм играет более важную роль в 28-суточной прочности.
4. Выводы
Анализ химического состава узких фракций клинкерного порошка показывает, что крупные фракции отличаются более высоким содержанием SiO2, Fe2O3 и MgO, а мелкие фракции характеризуются более высокими показателями П.П.П. и содержанием SO3. Соответственно, содержание C3S в частицах уменьшается с увеличением их размера, а содержание C2S возрастает. В узкой фракции 0—3 мкм содержание C3S достигает 73,5 %, а содержание C2S снижается до 8,1 %. Таким образом, частицы размером 3—15 мкм в основном влияют на 3-суточную прочность, а от частиц размером 16—30 мкм в большей степени зависит прочность в возрасте 28 сут
Автор: Сю Линлин, Ван Ян, Лю Минди, Е Сюэчху |
Рубрика: Наука и производство |
Ключевые слова: фракции с узким распределением частиц по размерам, минералогический состав, удельная поверхность |