O betão de elevado desempenho surgiu das alterações na distribuição do tamanho das partículas devido à tecnologia de moagem. Na sociedade moderna, é uma ferramenta poderosa para o desenvolvimento da construção. Não se trata apenas de um material de construção essencial, mas também de uma pasta de cimento. A densidade desta pasta varia consoante o tamanho das partículas e as propriedades do cimento. Consequentemente, podemos alterar as caraterísticas do cimento, como o tamanho das suas partículas, o que é fundamental para alterar o seu desempenho. No entanto, a densidade de empacotamento das partículas de cimento está diretamente relacionada com o desenvolvimento da tecnologia de moagem moderna. Esta ligação levou a experiências sobre o tamanho das partículas de cimento. Atualmente, estudamos diferentes caraterísticas das partículas para tornar o cimento mais adequado às nossas necessidades de construção. Este esforço representa a nossa vontade de melhorar e progredir.
01 Análise da distribuição granulométrica do cimento
Selecionámos quatro novos processos de moagem de cimento como temas de investigação:
Prensa de rolos + separador tipo V + circuito aberto moinho de bolas
Prensa de rolos + separador tipo V + moinho de bolas em circuito fechado
Moinho vertical como processo de moagem final
Moinho vertical + moinho de bolas em circuito fechado
Medimos a finura através da análise de peneiras e utilizámos a expressão de Rosin-Rammler-Bennett para calcular o coeficiente de uniformidade e o tamanho de partícula caraterístico. Isto ajudou-nos a analisar a distribuição do tamanho das partículas. Também utilizámos um analisador de tamanho de partículas a laser para medições adicionais.
Os resultados da investigação mostram-no:
(1) A distribuição de partículas do cimento proveniente destes quatro processos é mais uniforme do que a dos moinhos de bolas tradicionais de circuito aberto. O processo de prensa de rolos + separador tipo V + moinho de bolas de circuito aberto pode controlar a uniformidade através da colaboração entre componentes. Outros testes mostram que a distribuição uniforme das partículas ajuda a controlar a viscosidade e a durabilidade do cimento. Por conseguinte, permite um melhor controlo da utilização e eficácia do cimento.
(2) Estes quatro processos melhoram a taxa de utilização eficiente do cimento. A moagem mecânica altera as propriedades do cimento, dando a estes processos boas perspectivas de utilização e desenvolvimento.
(3) A adição de um sistema de pré-moagem (prensa de rolos + separador tipo V) à moagem tradicional em moinho de bolas reduz a diferença na distribuição do tamanho das partículas entre os sistemas de circuito aberto e fechado. Clarifica as caraterísticas do cimento e combina fórmulas antigas e novas para obter efeitos mais pronunciados. Isto aumenta a vida útil e cria fortes perspectivas de desenvolvimento.
(4) O produto de um moinho vertical como processo final de moagem tem uma distribuição granulométrica semelhante à dos sistemas que combinam uma prensa de rolos ou um moinho vertical com um moinho de bolas.
02 Resultados da investigação
Quando se utiliza a moagem mista, as cinzas volantes (que se moem facilmente) tendem a concentrar-se em partículas mais finas, enquanto a escória (que é mais difícil de moer) se concentra em partículas mais grossas. Isto resulta numa menor densidade de empacotamento do pó seco. A moagem separada produz cimento com menor teor de partículas grossas e ligeiramente insuficiente teor de partículas finas. O aumento da área de superfície específica dos materiais misturados afecta significativamente a distribuição das partículas e aumenta a densidade de empacotamento do pó seco.
Existe uma boa correlação entre a distribuição do tamanho das partículas e a densidade de empacotamento na pasta de cimento. À medida que o coeficiente de uniformidade das partículas aumenta, a densidade de empacotamento na pasta diminui linearmente. Para sistemas de moagem mista, a pasta com cinzas volantes tem maior densidade de empacotamento, enquanto a pasta com escória tem menor densidade de empacotamento. Na moagem separada, o aumento da área de superfície específica dos materiais misturados melhora significativamente a densidade da pasta.
Quando o teor de material misto é fixo, uma maior densidade de empacotamento na pasta conduz a uma maior resistência. Comparação dos dois métodos de moagem:
Para o cimento com cinzas volantes moído separadamente a 400 m²/kg de área de superfície específica, a resistência é inferior à moagem mista com o mesmo teor.
Para o cimento com escórias, a moagem separada produz melhor resistência do que a moagem mista.
Para além disso, o cimento com cinzas volantes tem pior compatibilidade com aditivos do que o cimento com escórias. À medida que o conteúdo de material misto aumenta, a necessidade de água para a consistência padrão aumenta, o tempo de endurecimento estende-se significativamente e a água quimicamente ligada em diferentes idades diminui. Em geral, o cimento moído separadamente tem melhores propriedades mecânicas e o cimento com escórias tem um melhor desempenho do que o cimento com cinzas volantes.
03 Aplicação do cimento moído na vida quotidiana
O cimento é um material de construção vital, mas a sua produção consome uma quantidade significativa de energia. Atualmente, com as prioridades de conservação de energia e redução de emissões, é crucial minimizar a utilização de energia e obter produtos de elevado desempenho.
A distribuição do tamanho das partículas do cimento é um fator chave que afecta o seu desempenho. A otimização desta distribuição permite que o cimento tenha um melhor desempenho e satisfaz a procura de produção de cimento de baixo consumo energético. Dois aspectos importantes são a distribuição em diferentes gamas de tamanhos de partículas e o empacotamento geral das partículas.
Este estudo explorou ambos os aspectos. Com base nisto, optimizámos a distribuição do tamanho das partículas de cimento e propusemos um novo modelo para o empacotamento inicial das partículas de cimento. A investigação sobre o desenvolvimento da resistência em diferentes tamanhos de partículas revela que a resistência provém do crescimento, ligação e hidratação das partículas de cimento e dos seus produtos, criando resistência a forças externas.
O tamanho das partículas de cimento está diretamente relacionado com a velocidade e o grau de hidratação. Tamanhos diferentes hidratam a taxas muito diferentes. Entre todas as partículas, aquelas entre 3-32 μm dominam o desenvolvimento da resistência. A distribuição dentro deste intervalo deve ser contínua, com um teor total não inferior a 65%. Outras investigações mostram que as partículas entre 16-24 μm são particularmente importantes - quanto mais, melhor.
As partículas com menos de 3 μm hidratam muito rapidamente, algumas mesmo durante a mistura, pelo que apenas beneficiam a resistência inicial. As partículas entre 32-60 μm têm um baixo grau de hidratação, enquanto as partículas maiores que 60 μm têm uma atividade mínima e actuam principalmente como enchimento. Assim, um teor superior a 32 μm significa uma menor utilização do clínquer e um pior desempenho do cimento.
O estudo do desenvolvimento da força revela-o:
As partículas na gama de (0, 3) μm desenvolvem rapidamente a resistência, mas não atingem a resistência máxima aos 3 dias. A sua resistência pode mesmo diminuir após 28 dias. O seu teor deve ser limitado, idealmente abaixo de 10%.
As partículas na gama (3, 16) μm proporcionam a maior resistência de 3 dias.
As partículas no intervalo (16, 32) μm proporcionam a maior resistência aos 28 dias.
Em geral, as partículas na gama de (3, 32) μm são cruciais para o desenvolvimento da resistência - quanto mais, melhor. As partículas na gama (32, 64) μm contribuem pouco para a resistência inicial, mas a sua resistência a longo prazo (após 180 dias) alcança ou até ultrapassa a da gama (3, 32) μm. Para o desenvolvimento da resistência a longo prazo, esta gama é essencial, idealmente não inferior a 10%.
As partículas com mais de 64 μm desenvolvem força muito lentamente. O seu conteúdo deve ser restringido, idealmente abaixo de 5%. A análise teórica e os resultados experimentais confirmam que a dimensão fractal é um parâmetro caraterístico viável para a distribuição do tamanho das partículas. Está bem correlacionado com outros parâmetros.
Sob as condições experimentais dadas:
Com o índice de uniformidade n=1, à medida que o tamanho caraterístico das partículas X aumentou de 16μm para 32μm, a dimensão fractal D diminuiu de 2,50 para 2,27.
Com o tamanho de partícula caraterístico X=29μm, à medida que o índice de uniformidade n aumentou de 0,6 para 2,2, a dimensão fractal D diminuiu de 2,73 para 0,21.
Com o índice de uniformidade n=1, à medida que a área de superfície específica S aumentou de 324 m²/kg para 405 m²/kg, a dimensão fractal D aumentou de 2,28 para 2,36.
A curva de Fuller, que descreve o empacotamento ótimo, não pode satisfazer os requisitos de distribuição para diferentes gamas de tamanho de partículas. Isso leva a um excesso de pó fino. Podemos substituir as partículas finas abaixo de 16μm e as partículas grossas acima de 45μm por aditivos activos como cinzas volantes ou pó de escória. Isto aumenta o conteúdo da gama chave (16, 45) μm que mais contribui para a resistência, optimizando a distribuição do tamanho das partículas e poupando clínquer de cimento.
Propomos um novo modelo para o empacotamento inicial de partículas de cimento: o modelo LH. O seu tamanho máximo de partícula é 60μm, e o mínimo é 0,6μm. As partículas mais pequenas do que 3μm não devem exceder 5%, e as partículas no intervalo (3, 32) μm devem exceder 70%. A simulação por computador mostra que o modelo LH tem um rácio de vazios de 27,9%. Cumpre os requisitos de desempenho, mantendo a baixa porosidade.
04 Resumo
Com os avanços na tecnologia de moagem, a qualidade do cimento tem vindo a melhorar progressivamente. As diferentes dimensões das partículas de cimento determinam a sua aplicação. A gama alargada de tamanhos de partículas permite uma utilização variada com base na densidade, levando o desenvolvimento do cimento a uma nova tendência. Isto cria mais oportunidades de avanço, promove a urbanização e acelera o progresso. Consequentemente, o desenvolvimento da tecnologia de moagem de cimento continua a ser amplamente adotado e utilizado.
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