Часть 4 «Специальные цементы»

Посмотреть все статьи

9.1.2.3 Общие сведения о применении ПАВ в цементных системах.

9.1.2.4.5 Химические свойства веществ, из которых состоят гидрофобные пленки на цементных зернах.

Состав веществ, из которых можно сформировать гидрофобные пленки на цементных зернах, экспериментальному исследованию не подвергался, но о характере и химических свойствах этих новообразований представляется возможным судить на основании имеющихся сведений об общих свойствах ряда химических веществ, применяющихся для целей гидрофобизации – нафтеновых, смоляных и жирных кислот.

Нафтеновые, а также жидкие жирные кислоты и водорастворимые их соли реагируют главным образом с окисью кальция содержащейся в цементе. Для нейтрализации этих кислот или для обменных реакции с их солями требуются всего лишь сотые доли процента окиси кальция, считая от веса цемента, т. е. гидрофобизирующие добавки способны взаимодействовать с клинкерной частью практически любого цемента с любым химико-минералогическим составом клинкера.

Свойства металлических и в том числе кальциевых мыл, получаемых (при обычных методах исследования) в водном растворе путем двойного обмена щелочных мыл и окислов металлов и их солей, хорошо изучены – вся индустрия мыловарения зиждется на этих исследованиях.

Но металлические мыла, образующиеся при недостаточном количестве воды, или в практически почти безводной среде, как это происходит при получении гидрофобного цемента, могут иметь несколько иной характер, чем мыла, полученные обычным путем в присутствии воды. Но с известной степенью приближения можно считать, что описываемые ниже свойства индивидуальных металлических мыл характерны также и для соответствующих солей, образующихся в цементных системах.

Кальциевые мыла высших жирных кислот жирны на ощупь, не смачиваются водой, имеют белый цвет. Чистый олеат кальция плавится при температуре 83 — 84°, а линолеат кальция — при 71°. Мыла ненасыщенных жирных кислот пасто- или мазеобразны.

Кальциевые соли низших жирных кислот, кончая капринатом и лауратом кальция, еще немного растворимы в большом количестве горячей воды, а высшие мыла вообще нерастворимы.

Магниевые мыла высших жирных кислот тоже практически совсем нерастворимы.

Кальциевые и другие металлические мыла высших жирных кислот в воде не набухают и, следовательно, из-за отсутствия способности давать соединения с водой не могут образовывать гидрогелей. Лишь при очень сильном разбавлении, например в 2—4-процентном водном растворе, значительная часть кальциевого мыла является коллоидно-растворенной. В присутствии защитных коллоидов, например желатины, стабильность коллоидного раствора кальциевого мыла жирной кислоты повышается, т.е. такой раствор не осаждается.

Кальциевые мыла, получающиеся в коллоидном состоянии, понижают поверхностное натяжение приблизительно вдвое слабее, чем соответствующие натровые мыла. Стеарат кальция почти совсем не изменяет поверхностное натяжение воды, поэтому его и нельзя отнести к поверхностно-активным добавкам.

При двойном обмене натровых нафтеновых мыл с растворами солей получаются полутвердые массы (в случае кальция, магния, бария и алюминия) или мягкие липкие массы (соли железа, меди, цинка, свинца) всегда с довольно большим содержанием воды. Для нафтенатов алюминия характерны пластично-эластичные свойства. Нафтенаты хрома считаются хорошими адгезивами.

Кальциевые мыла нафтеновых кислот дают весьма однородную и вязкую консистентную смазку, которая в смеси с минеральными маслами иногда применялась для защиты частей машин, а также оружейных стволов от ржавления. Нафтенаты вообще применяют в качестве ингибиторов (веществ, замедляющих соответствующие химические реакции) в составах, предохраняющих железо от коррозии. Следует отметить, что указанная выше консистентность кальциевых нафтенатов сохраняется только при наличии воды, а после высыхания кальциевые соли нафтеновых кислот становятся твердыми.

Таким образом, в общих случаях изготовления гидрофобного цемента защитные пленки на его зернах состоят из водонерастворимых и обладающих водоотталкивающими свойствами кальциевых солей нефтяных или жирных кислот.

9.1.2.4.6 Интенсификация помола цемента при использовании гидрофобизирующих добавок.

Цементный клинкер – это поликристаллическое упруго твердое тело, состоящее из 75 – 82% минералов силикатов и 18 – 25% минералов-плавней. Эти минералы имеют различную хрупкость и, следовательно, размалываемость.

Процесс размола клинкера и получение в результате цемента можно разделить на три этапа. На 1 этапе работа измельчения до удельной поверхности 1200 – 1500 см2/г пропорциональна вновь получаемой поверхности измельчаемого материала. Клинкер разрушается по слабым местам, дефектам структуры.

На 2 этапе, характеризуемом приростом удельной поверхности от 1200 – 1500 до 2300 – 2700 см2/г, сопротивляемость размолу увеличивается. Размолоспособность клинкера на этом этапе зависит от его микроструктуры: размеров, формы, характера срастания кристаллов, количественного содержания стеклофазы и т.д.

На 3 этапе, линейная зависимость между энергозатратами на помол и приростом удельной поверхности мелимого тела нарушается. Прирост удельной поверхности свыше 2700 см2/г становится достижим только путем противодействия явлениям налипания и агрегатирования, лавинообразно развивающимися при столь тонком помоле.

При таком тонком измельчении клинкера мельчайшие частички размолотого цемента налипают на мелющие тела и внутренние поверхности мельниц довольно прочным слоем, а также агрегатируют друг с другом с образованием комочков, чешуек и пластинок. Эти условия настолько резко ухудшают условия помола клинкера, что дальнейший помол становится просто экономически нецелесообразен.

Существовавшая в 50 – 60 хх. годах практика домола цемента на местах с использованием вибрационных и шаровых мельниц именно потому и не прижилась, что энергозатратность такого дополнительно измельчения цемента превышала потенциальную выгоду от использования высокомарочных цементов. Существенную помощь в технологии домола на местах рядовых цементов способны казать интенсификаторы помола. И в первую очередь — гидрофобизирующие добавки.

Полезное действие гидрофобизирующих (равно как и пластифицирующих и гидрофобно-пластифицирующих ПАВ) проявляется, прежде всего, при помоле цемента. Как известно, с увеличением дисперсности цемента подрастает его активность, что дает возможность уменьшить удельный расход цемента при изготовлении бетонов заданной прочности. Кроме того, интенсификация помола цемента способствует экономии электроэнергии, а также повышению производительности действующего оборудования. Одновременно снижается износ металла мелющих тел и сокращаются цеховые расходы. В связи с этим использование добавок, интенсифицирующих помол цементного клинкера, имеет большое практическое значение.

Имеющийся опыт показывает, что применение добавок ПАВ позволяет либо увеличить производительность мельниц, либо повысить дисперсность цемента при обычной производительности мелющего оборудования. Причем в ряду известных добавок — иптеисификаторов помола (триэтаноламин, этнленглпколь и др.) гндрофобизирующие и гидрофобно-пластифицирующие добавки отличаются не меньшей, а иногда большей эффективностью.

Интенсификация помола цемента в присутствии ПАВ вызывается совокупностью ряда причин, из которых необходимо отметить главные — предотвращение агрегирования мелких частиц, увеличение насыпной массы размалываемого продукта, а также адсорбционное понижение твердости мелимых продуктов (эффект П.А. Ребиндера).

Многолетними исследованиями установлено, что измельчение продуктов в мельницах (и в первую очередь в шаровых и вибро- мельницах) неизбежно сопровождается противоположным по своему характеру процессом агрегирования мелких частиц. Под микроскопом отчетливо различимы скопления частиц, тесно слипшихся одна с другой. Такие мелкие комочки принято называют — флоккулами.

Чем мельче становится продукт в работающей мельнице, тем больше получается флокул. Происходит также образование наслоений — подушек из слипшихся частиц на мелющих шарах, а также на стенках мельницы. При этом возникают непроизводительные, холостые удары шаров, что снижает эффективность процесса помола и увеличивает его энергоемкость. Вместе с тем усиливается работа трения; часть механической энергии, затрачиваемой на помол, переходит в тепловую, что вызывает повышение температуры размалываемого цемента. В целом производительность мельницы уменьшается.

Существует образное выражение, что агрегирование- что “злейший враг” процесса помола. К тому же флоккулы, находясь в готовом цементе, не разрушаются при действии воды затворения и поэтому ухудшают равномерность распределения цемента и полноту его использования в бетоне.

Предложены две главные гипотезы для объяснения причин агрегатирования диспергируемых твердых частиц и их налипания на другие тела – контактная электризация и различие в проявлении молекулярных сил на поверхности и в глубине продуктов помола. Не объясняя исключительно исчерпывающе и полно сути явления агрегатирования, обе эти гипотезы, тем не менее, рекомендуют одинаковый способ нейтрализации проблемы – адсорбция и (или) хемсорбция тонких (мономолекулярных или сходных по толщине) слоев ПАВ на плоскостях, обнажающихся на мелимых веществах.

Увеличение насыпной массы размалываемого цемента под действием ПАВ позволяет также существенно увеличить производительность мельниц и за счет увеличения массы находящегося в мельнице мелимого материала.

При помоле цемента с добавками ПАВ физико-химические свойства поверхности его частиц изменяются таким образом, что уменьшается адгезия между отдельными частицами, и гидрофобизированный цемент укладывается плотнее, чем обычный, т. е. имеет большую насыпную массу или, иначе говоря, мельница вмещает по массе большее количество продукта. Этот фактор способствует интенсификации помола, т. е. повышению выхода размолотого цемента при данном соотношении массы мелющих тел и объема материала в мельнице и не меняющемся расходе электроэнергии. Следовательно, на определенных стадиях процессов диспергирования цемента полезное действие ПАВ может сказаться не только в дефлокулирующем их действии (см. выше), но и в увеличении насыпной массы продукта, находящегося в мельнице.

Молекулы ПАВ, попадая в микротрещины мелимого тела при его диспергировании, оказывают расклинивающее действие и тем самым способствуют повышению эффективности помола. Адсорбирующиеся молекулы или ионы проникают из окружающей среды на значительную глубину в деформируемую зону твердого тела по многочисленным микрощелям, появляющимся в процессе деформации. Чем выше напряжения, возникающие в твердом теле при его деформации, тем сильнее будет эффект адсорбционного понижения твердости.

В работах основоположника мировой школы адсорбционного понижения твердости под влиянием ПАВ, академика П.А. Ребиндера и его школы отмечается, что адсорбционные прослойки оказывают активное раздвигающее действие во всех тех наиболее узких участках клиновидных щелей, куда только эти прослойки, мономолекулярных размерностей, могут проникать. После снятия внешних усилий происходит затруднение или, во всяком случае, замедление смывания зародышевых участков микрощелей под влиянием адсорбционных слоев. Усилению эффекта понижения твердости тел способствует наибольшая разность полярностей на поверхности раздела обусловленная полярным строением молекул ПАВ.

Благоприятное влияние добавок ПАВ на помол цемента объясняется тремя приведенными выше факторами. Трудно установить, какой из них является преобладающим. Несомненным остается одно – в зависимости от выбора вида ПАВ и его дозировки удается существенно повысить эффективность помола

В этом плане добавка в мельницу в процессе помола такого распространенного и дешевого отхода нефтехимической промышленности, как синтетические жирные кислоты (СЖК) либо их кубовых остатков (КОСЖК) наиболее оправданно как с технической, так и с экономической точки зрения.

Менее предпочтительными являются добавки других гидрофобизирующих добавок – природных жирных кислот и нафтеновых кислот. В первую очередь из-за их сравнительно большей стоимости по сравнению с СЖК и КОСЖК.

Сравнительный анализ различных добавок интенсификаторов помола, традиционно применяющихся в цементной промышленности показывает (см. Таблица 9.1.2.4.6), что в ряду различных интенсификаторов помола на первом месте стоят гидрофобные добавки.

Таблица 9.1.2.4.6_1

Наименование добавки – интенсификатора помола

Дозировка в % от веса клинкера

Группа по степени интенсификации помола клинкера

Остаток на сите 4900 отв./см2 в % к контрольным

Асидол-мылонафт

(0.1); 0.2

1-а

2.7 — 34

Мылонафт

0.2

Олеиновая кислота

0.1

Композиция: 0.05% олеиновой кислоты и 0.1% мылонафта

 

Тальк

7.0

1-б

Пластимент СПА

0.5

Отходы рыбной промышленности “фузы”

0.3

 

Лигносульфонат технический ЛСТ (термополимер)

(0.1); 0.2; 0.25

2

35 — 64

Лигносульфонат технический ЛСТ (жидкость)

(0.1); 0.2; 0.25; 0.3

Композиция: 0.05% мылонафта и 0.1% ЛСТ (жидкость)

Керосиновый контакт

0.2

Рыбий жир

0.1

Кислый гудрон

0.2

 

Битумозный песчаник

0.4

3

79 — 88

Деготь каменноугольный газовый

0.3

Горючий сланец

0.35; 0.5; 0.7

Примечание: в скобках указаны дозировки добавок интенсификаторов помола, не являющиеся оптимальными.