Инновационные разработки роторно-пульсационной техники для производства строительных материалов

В последние годы при производстве строительных материалов активно внедряются технические решения, направленные на максимальное повышение гибкости технологических процессов, обеспечивающих выпуск, продукции различного назначения с широким спектром свойств и характеристик. К числу таких многофункциональных решений следует отнести роторно-пульсационные аппараты (РПА).

РПА представляет собой агрегат для приготовления высокодиспергированных и гомогенизированных жидких эмульсий и суспензий, многокомпонентных вязкопластичных составов (в том числе из трудно-смешиваемых жидкостей) путем пульсационных, кавитационных и других гидродинамических воздействий. РПА сочетает е себе принцип работы дисмембраторов, дезинтеграторов, коллоидных мельниц и центробежных насосов. Обработка сырьевых материалов в РПА значительно повышает эффективность многих современных технологий, снижает энергопотребление, улучшает технологические и изменяет физико-химические свойства материалов. Компоновочные схемы и аппаратурное оформление технологических процессов диспергирования с заданными модификациями РПА просты, высокопроизводительны, легко встраиваются в автоматизированные системы.

Рис. 1. Роторный аппарат с модуляцией потока (диспергатор гетерогенных смесей)

В журнале «Строительные материалы, оборудование, технологии XXI века» № 5, 2003 г. освещались вопросы использования вихревых гидрокавитационных установок (ВГКУ) для повышения качества строительных материалов (с. 34-35). В частности, отмечалось, что в строительной отрасли весьма перспективной сферой применения ВГКУ является кавитационная активация цемента в роторных аппаратах с модуляцией потока (рис. 1), которая используется для улучшения механических свойств бетона или экономии цемента на 15% (по весу) без изменения механических свойств бетона. Производство мелкодисперсных составов и смесей обеспечивает повышение свойств изготавливаемых из них материалов и изделий в среднем на 15=20%.

Рис. 2. Кавитатор для приготовления водомазутпой эмульсии

Другим весьма перспективным направлением применения ВГКУ является энергоресурсосбережение. Здесь использование ВГКУ (рис. 2) для приготовления водомазутных эмульсий (8МЭ) обеспечивает повышение КПД котлов в среднем на 5%, надежное распыление и горение ВМЭ при низких температурах (до -67°С), устойчивое горение мазутов с влагосодержанием до 30%, снижение токсичности дымовых газов до 50~80% и хранение ВМЭ более года.

Более двух десятков композиций и технологических процессов с использованием РПА защищены авторскими свидетельствами. РПА запатентованы в США, Англии, ФРГ, Японии.

В производстве строительных материалов находят широкое применение высокодисперсные системы - эмульсии и суспензии (пасты и мастики), в связи с чем проведены исследования по созданию технологических энерго- и ресурсосберегающих процессов, потребовавших разработки различных модификаций РПА по компоновочным схемам и аппаратурному исполнению.

Ниже рассматриваются инновационные разработки на основе РПА, направленные на изготовление различных строительных материалов с улучшенными характеристиками по энергосберегающим технологиям.

Декоративные бетоны

Архитектурный бетон с камневидной фактурой.

Искусственный камень или камневидная фактура бетонных изделий по своим эстетическим и строительным качествам приближается к покрытиям из естественного камня. Камневидная фактура долговечна и в процессе эксплуатации не требует ремонта и обновления. Богатые пластические свойства бетона позволяют делать искусственный камень сложной конфигурации - от монументальной скульптуры до малых архитектурных форм, элементов внешнего благоустройства, от панелей наружных стен и других строительных конструкций, где декоративные свойства сочетаются с высокой конструктивностью бетона, до монолитного возведения жилых, социально-культурных сооружений, как в заводских условиях производства, так и на строительных площадках.

Эстетика поверхностей изделий с камневидной фактурой достигается в логическом выявлении природных свойств материалов, составляющих бетон. Различный цвет заполнителя, размеры фракций, степень обнажения позволяют максимально выявить природные качества естественного камня, создать впечатление монолитной каменной поверхности изделия. Диапазон камневидных фактур весьма велик и соответствует разнообразным пожеланиям заказчиков. Технологичность изделий с использованием камневидной фактуры апробирована при различных технологических схемах производства на многих предприятиях страны. Комплекс зданий Центра международной торговли и научно-технологических связей с зарубежными странами, здание Госстроя СССР, павильон «Товары народного потребления» на ВВЦ и десятки других уникальных сооружений в Москве, радио-телецентр в Риге и жилые микрорайоны в десятках городов свидетельствуют о высокой конкурентоспособности данной технологии с зарубежными разработками.

Архитектурный бетон «Москва» представляет собой мелкозернистый бетон с высокими физико-механическими показателями и декоративными свойствами. Он может быть использован для высококачественной отделки наружных стен в заводских условиях или на стройке, для изготовления малых архитектурных форм и элементов внешнего благоустройства, при реставрации старых зданий, старинных культовых сооружений как снаружи, так и внутри, в скульптурных объектах и т.п.

Пластические свойства бетона «Москва» позволяют использовать различные методы формирования: виброуплотнение использовании. Физико-механические свойства бетона «Москва»: плотность -2400 кг/м3; прочность на сжатие - 25 МПа; водопоглощение - 4-6%; морозостойкость Мрз-100.

Цветной бетон. Цветной бетон выпускается с гладкой или бугристой (вскрытой) фактурой, имитирующей природный материал (туф, травертин и т.п.). Цвет бетона достигается применением для окрашивания пигмент-паст, а также цветного заполнителя. Цветной бетон, искусственный цветной камень, получаемый по разработанной технологии, уникален по своей цветовой гамме и доступен для широкого применения. Особенностью производства цветного бетона является использование специальных пигмент-паст, получаемых на роторно-пульсационном аппарате, которые с большой эффективностью могут быть использованы для колеровки красок различного назначения. Использована широкая гамма красителей и пигментов, а также отходов производств минерального сырья.

Рельефный бетон. Рельефный бетон может быть получен с использованием стеклофиброцементных и мягких эластичных полимерных матриц с гладкой поверхностью и не нуждается в последующих декоративных наслоениях (покраске). Кроме рельефа, декоративность может быть обеспечена использованием одним или сочетанием нескольких видов отделки поверхностей изделий.

ДЕКОЭЛАСТ предназначен для отделки внутренних помещений общественных зданий. Со специальными полимермине-ральными композициями его можно применять для декоративно-защитной отделки садовых домиков, возводимых из стеновых материалов типа грунтоблоков, ячеистобетонных и др., нуждающихся в дополнительных защитных покрытиях. Материал имеет тканевую основу (хлопчатобумажную или полимерную). На тканевую основу тонким слоем наносится клеевой состав, который изготавливается на установке с применением РПА, что обеспечивает высокие технологические свойства и стабильность во времени, а полимерные составляющие обеспечивают трудносгораемость, водостойкость, биологическую устойчивость. Клеевой состав является экологически чистым. Декоративность материалу придает цветная присыпка, представляющая собой крошку натуральных пород камня или искусственных материалов, песка, отходов керамической промышленности. Крошка вдавливается в клеевой состав, а затем следует термообработка при Т = 130-150°С (12-15 мин.). При отделке внутренних помещений материал приклеивается, прибивается или крепится рейками, для наружной отделки применяется водостойкая полимерная композиция. Адгезия к бетону - 80-100 Н/см2, к дереву - 120 Н/см2.

Ресурсосберегающие технологические процессы

Одним из наиболее перспективных путей развития технологии является применение гидродинамической кавитации жидкости в области производства строительных материалов и сопутствующих им процессов, осуществляемых в РПА. Рекомендуются технологические процессы, обеспечивающие высокоэффективное диспергирование, гомогенизацию, эмульгирование композиций строительного назначения, в результате чего достигается:

экономия дефицитных материалов; улучшение технологических и эксплуатационных свойств композиций; утилизация отходов производства; ускорение технологического процесса и снижение энерготрудозатрат; экологические аспекты окружающей среды.

Технология производства стеновых материалов

Разработана эффективная технология получения блоков из ячеистого бетона неавтоклавного твердения. Технология производства базируется на использовании установки по активизации цемента и полидисперсных наполнителей (роторно-пульсационного аппарата РПА) с применением пено- и газообразователей. Предлагаемая технология предусматривает рекомендации по защите и отделке стеновых конструкций (стен) и блоков из ячеистого бетона.

Стеновые блоки с долговечной облицовкой с тепло-конструктивным слоем из крупнопористого керамзитового бетона с использованием активированной водной суспензии цемента. Технология предусматривает виброформование блоков в кассетной форме и может сочетаться с другими технологическими процессами (например, вибропрессованием) получения стеновых блоков. Отработаны технологические приемы использования в качестве наполнителей для блоков отходов растительного происхождения (опилок, лозы и т.п.).

Литая черепица на основе АВСЦ и пигментных паст позволяет заказчикам иметь широкую цветовую гамму с гладкой поверхностью и высокими физико-механическими показателями. Приготовление - литая смесь на АВСЦ с добавкой пластификатора и фракционированного песка, формование черепицы - в кассетной форме.

Облицовочная литая плитка различной толщины и конфигурации, в том числе рельефной. Приготовление смеси - аналогично технологии приготовления литой черепицы. Формование в горизонтальном положении. При необходимости возможно использование синтетической фибры (отходов производства) для дисперсного армирования. Предлагается организация производства плитных материалов и на бесцементной основе на отходах камнепиления и кусковых материалов.

Малые архитектурные формы, элементы внешнего благоустройства, цокольные плиты и плиты для мощения садово-парковых участков с различными видами отделки указанных фактур могут выпускаться ручным способом или на высокомеханизированных линиях.

Эмульсии

Одним из факторов, влияющих на качество продукции и снижение трудоемкости производства, является правильное использование разделительных смазок при производстве многих видов строительных материалов. Проведенный анализ показал, что на предприятиях при производстве различных строительных материалов отсутствует дифференцированный подход к смазкам. Так, при выпуске асбестоцементных листов (термообработка 60°С) и плит «Акмигран» (сушка 170°С) используются чистые индустриальные масла, для автоклавных изделий (ТВО - 180°С) из сборного железобетона - отработанные масла, для изделий вертикального формования (объемные элементы шахт, лифтов) и горизонтального (внутренние стены, плиты перекрытий) применяются одинаковые составы смазок.

В настоящее время разработаны различные составы высокодисперсных эмульсионных смазок, где кроме основного компонента смазки - эмульсола ЭКС, используются различные отходы нефтепереработки, в т.ч. и отработанные масла, что позволяет в 3-4 раза снизить стоимость эмульсии и эффективно использовать отходы промышленности - соалсток, жировой гудрон и другое.

Разработаны специальные виды эмульсионных смазок:

    *
      термостойкие, с температурой применения до 200°С для изделий автоклавного затвердевания и сушки;
    *
      морозостойкие, для использования при отрицательной температуре до -20°С в полигонных условиях производства сборного железобетона;
    *
      для вертикальных поверхностей металлических форм рекомендованы составы прямых эмульсий с добавками, удерживающими на вертикальной поверхности смазку и обратных эмульсий на основе натриевых мыл в качестве эмульгатора.

На основе исследований разработаны составы, а также технологии изготовления нового эмульсола УМС (универсальный, морозостойкий, стабилизированный), обеспечивающего получение «прямой» или «обратной» эмульсии непосредственно на месте их использования путем смешивания УМС с водой. Однако, несмотря на преимущества нового эмульсола по сравнению с ЭКС, в том числе и экономическую выгоду его применения, производство УМС в стране не налажено.

Для приготовления эмульсионных смазок различного назначения разработана технологическая документация на установку РПА-У (универсального) и подготовлены рекомендации по всему комплексу мероприятий: размещение оборудования, прием, хранение, транспортировка сырьевых материалов, а также способы нанесения готовых эмульсионных смазок. Экономический эффект от внедрения РПА с учетом недорогих исходных материалов для новых видов смазки в среднем составляет 35-50% на тонну продукции.

Пластифицирующие добавки

Широкое распространение в производстве сборного и монолитного бетона получила большая гамма пластифицирующих добавок, важнейшим требованием к которым является высокая седиментационная устойчивость нерасслаиваемость, что может быть достигнуто получением тонкодисперсных эмульсий. Как показали расчетные данные, для получения таких эмульсий размер эмульгируемых веществ не должен превышать 10 мкм.

В результате проведенных исследований установлено, что диспергирование с применением РПА позволяет получать эмульсии однородные по дисперсности с размерами капель эмульгируемых компонентов от 2 до 5 мкм, с сохранением устойчивости не менее 5 суток практически без нарушения однородности. Эти исследования проводились с добавками НИЛ-21, КОД-С, КОМД-С, КОМД-СМ, Эмульбит и др., результаты внедрены в практику московского градостроения, при этом эффективность применения таких пластифицирующих добавок увеличила прочность ЖБК в 1,5~2 раза, что позволило получить экономический эффект от 25 до 35%.

Битумные, полимер-битумные, кровельные, гидроизоляционные и дорожные эмульсии и мастики

Проведенные исследования с использованием РПА показали высокую эффективность его применения также для диспергирования битумных эмульсий и мастик, повысилась адгезия мастик вследствие своей повышенной проникающей способности (в 3-4 раза) в изолируемые материалы, что позволило повысить устойчивость к атмосферным воздействиям, снизился расход материалов от 35 до 40% на единицу площади.

Мастики и клеи на основе синтетического латекса

Эти мастики используются для приклеивания полимерных плёночных покрытий парогидроизоляции, пропитки, приготовления покрасочных композиций и для других целей. Использование РПА в производстве мастик и клеев позволяет отказать предварительного приготовления водных растворов карбоксиметилцеллюлозы КМЦ и поташа, в 3~5 раз сокращает время обработки смешивания компонентов, даёт возможность полностью автоматизировать процесс производства мастики Синтелакс и проектировать новые технологические линии большой производительности, повышает предел прочности на отрыв через 72 часа до 60 Н/см2 (на старом смесителе С 35-40 Н/см2).

Полученные композиции отличаются стабильностью физико-механических показателей, что свидетельствует о высокой степени гомогенизации системы. Внедрение РПА в технологический процесс производства латексных клеев и мастик позволило сделать его экологически чистым.

Активированные водные суспензии цемента, извести и глины

В производстве строительных материалов особое место занимает технологический процесс приготовления различных суспензий, шликерных масс в керамической промышленности, известкового молока теста, пигментных паст для окрашивания бетона, покрасочных составов с замесом дефицитных компонентов и активированные водные суспензии цемента (АВСЦ), создания высокоэффективной технологии.

АВСЦ для растворов, бетонов цементосодержащих композиций, полученные с небольшим количеством ПАВ суспензии подвергают кратковременной обработке на роторно-пульсационном аппарате. Эффект, полученный от АВСЦ, используется для сокращения в 3 раза срока твердения бетона в естественных условиях, на 30-35% сокращается длительность термообработки изделий, снижается расход цемента до 25% или повышается марка бетона, достигается высокая пластичность смесей. Использование АВСЦ во всех цементосодержащих ком позициях (фибробетоне, ЦСП, стеновых блоках на минеральных и органических заполнителях) обеспечивает высокие физико-механические и специфические свойства изделий. Специальные виды бетонов и растворов, в т.ч. с использованием магнитных силовых полей, защищены авторскими свидетельствами.

Полученная из воды и части сухого цемента суспензия, с небольшим количеством поверхостно-активного вещества (0,5-0,7%) сульфитно-дрожжевой барды, подвергается кратковременной обработке на установке РПА, для использования её для затворения бетонной смеси по существующей обычной технологии с применением действующего на предприятии оборудования бетоносмесительного узла. При этом исключается необходимость значительных капитальных вложений.

Эффект, получаемый от АВСЦ, используется для сокращения длительности термообработки и снижения расхода энергии на пропаривание бетонных изделий (на 30-35%), для сокращения сроков снятия опалубки, снижения расхода цемента (на 50-100 кг/м3) при сохранении прочности бетона и получения высокопрочного бетона.

Введение в бетонную смесь АВСЦ обеспечивает прирост прочности бетона на 20-25% и ускорение твердения бетона при тепловлажностной обработке и при нормальных условиях, что сокращает время технологического процесса в 3 раза, а также повышает сейсмические свойства бетонных конструкций на 1-1,5 порядка. С такой же эффективностью можно использовать АВСЦ в производстве цементосодержащих плит, асбоцемента, фибролита и др.

Применение РПА для производства известкового молока и теста позволяет резко сократить сроки приготовления, увеличить стабильность суспензии и в 1,5-2 раза повысить физико-механические показатели композиций, использующих известковые компоненты.

Активированные суспензии глины (АСГ) в производстве шликерных масс позволяют сохранить текучесть шликера при снижении его влажности на 2~5%, что влечет за собой значительное сокращение производственного процесса, снижение тепло-затрат. Использование АСГ для увлажнения глиняных масс при производстве кирпича повышает его качество и снижают брак.

Использование РПА при создании суспензии глины позволит увеличить прочность кирпича и черепицы в 1,5~2 раза, облегчить их конструкцию в 1,5 раза, снизить себестоимость, увеличить экономию времени и материалов на всем технологическом цикле.

Активированные суспензии глины для получения шликера. Использование АСГ в производстве керамических изделий из пресс-порошков и шликерных масс позволяет снизить влажность шликера при сохранении его текучести, что дает хороший эффект в экономии теплозатрат. Затворение глиняной массы (вместо воды) АСГ при пластическом формовании кирпича ликвидирует «свиливость» кирпича, что приводит, в конечном счете, к снижению брака.

Фиброраствор

Фиброраствор листовой тонкостенный. Стеклофиброраствор с декоративной (прежде всего рельефной) поверхностью для использования в качестве не извлекаемой опалубки при монолитном строительстве малоэтажных сельских домов. Может быть использован в качестве внутренней отделки, накладных декоративных элементов обрамлений оконных, дверных проемов, вставок, для внешнего оформления зданий. В качестве армирующего материала используется фибра из волокна. Декоративность обеспечивается за счет неглубокого рельефа и цвета раствора.

Водостойкие шпатлевки

Разработаны композиции строительного назначения - водостойкие безусадочные шпатлевки для отделки железобетонных поверхностей и деревянных конструкций, клеевые составы для приклейки полимерных материалов, плитных материалов из керамики, природного камня, древесины, облицовки ДСП, ДВП, ЦСП, замазки «3-2а» для герметизации оконных и балконных блоков при их остеклении, фасадные покрытия краски и для внутренних работ. Все композиции изготавливаются из одних и тех же сырьевых материалов и не требуют сброса промывочных вод в канализацию.

Эмульсионные смазки

Эмульсионные разделительные смазки в производстве строительных материалов широкого диапазона применения в температурном интервале от -20 до +190°С с и пользованием различных жировых эмульгирующих компонентов, в т ч. и отходов производств.

Технология производства зольно-угольных цементов и утилизация отходов топливно-энергетического производства

Производство цемента торфозольного, угольнозольного, например, ТЭЦ-цемента. При сжигании топлива в пылевидном состоянии на тепловых электростанциях, при помоле топлива вводится добавка известняка в количестве 20~40 кг на тонну угля, торфа в зависимости от зольности и минералогического состава золы. Совместный помол топлива и карбонатной добавки, смешение их и совместное сжигание пылевидного топлива в топочном пространстве котлоагрегата приводит к образованию первичных клинкерных минералов между оплавленными частицами золы и образовавшихся частиц СаО. В золофильтрах осаждается обогащенная зола, содержащая первичные клинкерные минералы (до 15-25%), свободную (активную) СаО (до 10-20%). Обогащенная зола после тонкого измельчения на помольных агрегатах до 5000 см2/г представляет собой ТЭЦ-цемент, который может быть использован в качестве местного вяжущего в производстве строительных изделий широкого назначения.

Приведенные обобщенные данные свидетельствуют о высокой перспективе роторно-пульсационных разработок и целесообразности их инвестирования в целях повышения эффективности производства строительных материалов и, соответственно, строительства в целом.

Особо следует выделить перспективу совмещения двух нанотехнологий: мокрого домола цемента в РПА, обеспечивающего получение цемента с удельной поверхностью 5000 см2/г (см. таблицу), и активирования воды путем изменения её структуры. Совместное использование этих нанотехнологий в производстве цемента может повысить его прочность на порядок.

Сравнительная эффективность домола цемента в различных измельчителях

Характер домола и измельчителя
   

Удельная поверхность,
см2/г
   

Удельные энергозатраты
на 1 т цемента,
кВт .час

Цемент без домол а
   

3000
   

0

Сухой в шаровой мельнице
   

4500
   

40

Сухой в вибро мельнице
   

4650
   

20

Мокрый в РПА
   

5000
   

8,8
   

Р.Б. Родионов, инженер

Технологии бетонов №4/2006  14.09.2006