Введение
Механохимическая активация (МХА) - быстро развивающаяся технология во многих областях материаловедения, особенно в строительстве. Она основана на применении механических и химических процессов для модификации материалов. Одним из основных применений МХА является активация добавок в цемент, известных как дополнительные цементирующие материалы (ДЦМ). К таким материалам относятся летучая зола, гранулированный доменный шлак, природные пуццоланы и различные глины, которые могут заменить часть портландцемента и, соответственно, клинкера в цементе. Это позволяет значительно сократить выбросыCO2 при производстве цемента.
Общие сведения о СКМ и их значении
Традиционное производство портландцемента потребляет много энергии и выделяет большое количество углекислого газа. Первичные выбросы, или выбросы первого уровня, составляющие около 500 кгCO2 на тонну цемента, образуются при обжиге клинкера в результате разложения CaCO3 на CaO иCO2 и сжигания ископаемого или альтернативного топлива, необходимого для этого процесса. На долю выбросов в масштабе 1 приходится примерно 85-90 % от общего объема выбросовCO2 при производстве цемента. Минимизация содержания клинкера в цементе и бетонных смесях с использованием СКМ дает значительный потенциал для сокращения этих выбросов. Кроме того, СКМ могут оказывать положительное влияние на долговременную прочность, водопотребность, химическую стойкость и обрабатываемость цемента.
Такие СКМ, как летучая зола, гранулированный доменный шлак и кремнеземистый дым, являются побочными продуктами других отраслей промышленности и поэтому способствуют переработке отходов. Хотя эти материалы обладают присущими им пуццолановыми свойствами, позволяющими использовать их в бетонных смесях, их реакционная способность значительно повышается при механохимической активации. Кроме того, такие материалы, как глины, которые по своей природе практически не обладают пуццолановыми свойствами, также могут быть использованы с помощью МКА. При активации глин можно также механически активировать отходы из существующих карьеров или низкосортные глины из глиняной и керамической промышленности, обеспечивая тем самым такое же ресурсосберегающее производство СКМ, как и при использовании побочных продуктов, упомянутых выше.
Основы механохимической активации
Механохимическая активация означает, что к материалу прикладывается механическая энергия в виде измельчения или деформации, и эта энергия инициирует или ускоряет химические реакции. При механической обработке СКМ материал подвергается интенсивному измельчению, и площадь его поверхности значительно увеличивается. Увеличение площади поверхности позволяет химическим реакциям протекать быстрее и эффективнее.
Помимо увеличения площади поверхности, процесс механохимической активации также приводит к изменению кристаллической структуры материала. Это означает, что кристаллические структуры разрушаются и образуются аморфные, реактивные фазы, которые формируют дополнительные фазы C-S-H и C-A-H с портландитом, образующимся в процессе гидратации цемента. Такое вторичное образование C-S-H может привести к повышению прочности за счет увеличения плотности. Это относится, в частности, к таким материалам, как летучая зола, которая содержит мало реакционноспособных фаз и чья реакционная способность значительно повышается в результате механохимической активации.
Механизмы активации
Механохимическая активация происходит по нескольким основным механизмам:
- Увеличение удельной поверхности: Шлифование значительно увеличивает площадь поверхности материала, делая доступными большее количество мест для реакции.
- Образование дефектов: Механическое напряжение приводит к образованию дефектов и трещин в кристаллической решетке, делая их более химически реактивными.
- Фазовые превращения: Механическая энергия может преобразовывать стабильные кристаллические фазы в аморфные, более высокоэнергетические фазы, которые являются более химически реактивными.
- Повышенная растворимость: Механохимическая активация также повышает растворимость материалов в цементной матрице, что позволяет дополнительно образовывать фазы C-S-H и C-A-H и способствует твердению цемента.
Применение и преимущества механохимической активации
Применение механохимической активации для СКМ дает множество существенных преимуществ:
Улучшенная реактивность
Снижение содержания цемента
Устойчивое развитие
Экономия средств
Источник энергии
Гибкость процесса
Проблемы и будущие разработки
Несмотря на многообещающие преимущества механохимической активации, существуют и проблемы, которые необходимо преодолеть. Предыдущие исследования активации часто проводились в вибрационных или планетарных мельницах. Параметры процесса и принципы работы этих лабораторных установок, как правило, не переносятся на промышленные предприятия. Активация в шаровой мельнице с сухой мешалкой оказалась отличной альтернативой. В серии Pamir NETZSCH предлагает шаровую мельницу с сухим перемешиванием, которая может выполнять как измельчение, так и активацию различных SCM и доступна в широком диапазоне размеров - от лабораторных до промышленных установок.
Для реализации комплексных промышленных установок налажено прочное партнерство с компанией Thyssenkrupp Polysius GmbH в Беккуме, Германия, и с компанией Minerva Engineering Inc. в Турции. В качестве партнера reliable по планированию, монтажу и эксплуатации комплексных технологических групп Polysius или Minerva выполняют эти задачи в тесном сотрудничестве с NETZSCH.
Заключение
Механохимическая активация является перспективным методом повышения реакционной способности СКМ и предлагает устойчивый и экономичный способ революционизировать производство цемента в будущем. Она способствует сокращению выбросовCO2 в цементной промышленности и открывает новые возможности для использования побочных продуктов промышленности в строительной отрасли. Благодаря дальнейшим исследованиям и технологическим инновациям механохимическая активация может стать неотъемлемой частью современного производства цемента и бетона.