DE112013004933T5

DE112013004933T5 - Prozess zum Behandeln von Flugasche und Rotationsmühle für den Prozess

Info

Publication number: DE112013004933T5
Application number: DE112013004933.3T
Authority: DE
Inventors: Clinton Wesley Pike
Original assignee: VHSC Ltd
Current assignee: VHSC, LTD., VG
Priority date: 2012-10-09
Filing date: 2013-09-30
Publication date: 2015-07-02
Also published as: US20140096705A1; KR20150086257A; CA2889649A1; GB2521321A; CN104903270A; WO2014058637A2; JP2015535197A; MX2015004358A; WO2014058637A4; WO2014058637A3; GB201506847D0; RU2015116128A; US9254490B2; PH12015500789A1

Abstract

Ein Prozess zum Behandeln von Flugasche zum Aktivieren der Flugasche dergestalt, dass sie als Substitut für Portlandzement verwendet werden kann, wobei der Prozess die Verwendung einer speziellen Rotationsmühle enthält, die in Größe und Form unterschiedliche Medien aufweist, um die Oberfläche einer einzelnen Flugaschekomponente durch Mahlen zu vergrößern, wobei das Mahlen einer zweiten Flugaschekomponente vermieden wird, während die Oberfläche der zweiten Komponente aufgeraut wird, um zu vergrößern ihre Oberfläche.

Description

VERWANDTE ANMELDUNGEN
Diese Anmeldung beansprucht Rechte unter 35 USC § 119(e) aus der US-Anmeldung mit der Seriennummer 13/647,838, eingereicht am 9. Oktober 2012, deren Inhalt hiermit durch Bezugnahme in den vorliegenden Text aufgenommen wird.
GEBIET DER ERFINDUNG
Diese Erfindung betrifft die Aktivierung von Flugasche zur Verwendung als Substitut für Portlandzement bei der Betonherstellung, und insbesondere die Behandlung von Flugasche in einer speziellen Rotationsmühle mit in Größe und Form unterschiedlichen Medienkombinationen zum Reduzieren der Größe einer einzelnen Komponente, während das Mahlen einer zweiten Komponente vermieden wird, oder das Ausführen einer Oberflächenbehandlung für die zweite Komponente, dergestalt, dass die Mühle mehrere Komponenten unterschiedlich behandelt.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die Zement- und Betonindustrie ist seit langem bemüht, so viel kostengünstiges Puzzolan in eine Betonmischung zu geben wie möglich, um die Menge an teurem Portlandzement zu minimieren und keines der Attribute des Betons zu verlieren, wie zum Beispiel Abbindezeit, Anfangsfestigkeit, Endhärte und Langlebigkeit. Insbesondere ist es ein Ziel, einen Beton zu erreichen, bei dem möglichst viel Portlandzement durch beigegebene zementartige Materialien ersetzt wird, wie zum Beispiel Flugascheschlacke oder andere Materialien, während die Verwendung von Portlandzement minimiert oder ausgeschlossen wird.
Das Ziel ist es, Beton mit einer Schlackegüte von 100 oder besser oder Zement mit einer Leistungszahl von 1157 unter Einsatz von Materialien herzustellen, die kostengünstiger als Portlandzement sind. Ungeachtet der Kosten von Puzzolan und Portlandzement hat man im Lauf der Jahre herausgefunden, dass Puzzolanbeton im Vergleich zu Portlandbeton das bessere Leistungsverhalten aufweist, wobei Puzzolanbeton dem Portlandbeton im Hinblick auf Sulfatangriffe und Alkali-Silizium-Reaktivitäts(ASR)-Angriffe überlegen ist.
Der Fachmann weiß, dass Flugasche ein Teil der Puzzolanfamilie ist und dass man, wenn man Portlandzement durch 20 % Flugasche der Klasse F oder 30 % Flugasche der Klasse C ersetzen kann, einen sehr haltbaren, hochfesten Beton erhält, der deutlich weniger kostet als Beton aus Portlandzement.
Für den Fall, dass es möglich wäre, granulierte Hochofenschlacke zu verwenden, ist insbesondere festgestellt worden, dass man 50 bis 80 % des Portlandzements durch diese granulierte Hochofenschlacke ersetzen kann. Jedoch ist granulierte Hochofenschlacke nicht immer verfügbar oder ist zu teuer. Wenn granulierte Hochofenschlacke verfügbar ist, so nähert sich die Festigkeit des Betons einer Schlackegüte von 100 nach ASTM C989 (oder erreicht diese), während man bei Verwendung von unbehandeltem Flugaschepuzzolan Schwierigkeiten hat, eine Schlackegüte von 80 zu erreichen.
Der Fachmann weiß, dass sich „Schlackegüte von 100“ auf den Umstand bezieht, dass in 7 Tagen eine Festigkeit von 75 % für den Beton aus Portlandzement erreicht wird, während in 28 Tagen eine Festigkeit von 95 % erreicht wird.
Es ist daher wichtig, Flugaschepuzzolan so verarbeiten zu können, dass es auf einem Niveau reagiert, das mindestens so hoch ist wie das von granulierter, gemahlener Hochofenschlacke.
Um eine Produktleistung zu erreichen, die einer Schlackegüte von 100 oder sogar 120 entspricht, ist die erste Anforderung, die Gesamt-Teilchengrößenverteilung der Flugasche der Klasse F auf unter 45 µm zu senken; d. h. dass mindestens 98 % der Flugasche der Klasse F einen Durchmesser von unter 45 µm hat. Ein besserer Indikator ist die Oberfläche. Die typische Oberfläche von Flugaschepuzzolan beträgt etwa 0,695 m²/g. Wenn es möglich wäre, Puzzolan, das eine Oberfläche von 0,695 m²/g hat, so zu behandeln oder zu mahlen, dass seine Oberfläche auf 0,914 m²/g vergrößert wird, so könnte man eine Produktleistung, die einer Schlackegüte von 100 entspricht, oder Puzzolan mit einer Schlackegüte von 120 mit einer Oberfläche von etwa 1,263 m²/g oder mehr erreichen. Angesichts der Tatsache, dass verschiedene Flugaschen verschiedene Oberflächen haben, muss man die Oberfläche, ausgehend von ihrem Anfangswert, um mindestens etwa 38 %, bevorzugt aber um mindestens über 90 %, ausgehend von der Mutterprobe des Puzzolans, das die Zusatzstoffe enthält, vergrößern.
Wie dies mit der hier besprochenen Mühle bewerkstelligt wird, wird im Folgenden besprochen. Wie zu sehen ist, zeigen die Oberflächen, die unter Verwendung eines mit komprimiertem Helium/Stickstoff arbeitenden Einpunkt-BET-Analysators, Modell Beckman Coulter SA 3100, gemessen wurden, bei Verwendung der hier besprochenen Rotationsmühle eine signifikante Zunahme. Wenn darüber hinaus das Puzzolan in der hier besprochenen Rotationsmühle behandelt und Limestone-Kraftwerksflugasche nach ASTM C 989 getestet wurde, so erreichte das Puzzolan mit einer Oberfläche (OF) von 0,693 m²/g eine Produktleistung, die einer Schlackegüte von 80 entspricht, während 0,914 m²/g eine Produktleistung erreichten, die einer Schlackegüte von 100 entspricht, und 1,263 m²/g eine Produktleistung erreichten, die einer Schlackegüte von 120 entspricht, wenn alle mit dem gleichen Zusatzstoffpaket, wie im Folgenden beschrieben, vermischt wurden.
Wenn man gemahlene Flugasche mit einer Oberfläche (OF) von etwa 0,9 m²/g erhält, so hat man Komponenten in der Flugasche, die entweder eine verringerte Teilchengröße haben oder deren Oberfläche aufgeraut ist, um ihre Reaktivität zu vergrößern, so dass mehr reaktives Puzzolan in die chemische Reaktion des Betons gelangen kann. Allgemein reagieren ungemahlene Teilchen von 80 µm oder größer erst, nachdem sie heruntergemahlen wurden. Es ist allgemein anerkannt, dass mit niedrigerer Puzzolan-Feinheit (–45 µm) die Reaktivität des Gesamt-Puzzolans zunimmt, während die Anforderungen nach ASTM C618 immer noch erfüllt werden.
Puzzolane werden ungemahlen geliefert und bestehen allgemein aus asphärischen Teilchen und sphärischen Teilchen in Form von Aluminoferrosilikatglasperlen. Die zu beschreibende Behandlung reduziert die Größe der nicht-sphärischen Teilchen und raut gleichzeitig die sphärischen Teilchen auf. Dies erlaubt eine viel größere Oberfläche ohne Einschränkung der Fließfähigkeit des Puzzolans und führt zu einem gleichzeitigen Anstieg der Reaktivität, die von einer Basis, die nicht die einer Schlackegüte von 80 entsprechenden Produktleistung erreicht, auf eine Produktleistung der Güte von 120 für eine Flugasche der Klasse F steigt.
Die Leistungsmessgröße, die dafür verwendet wird, die Flugasche der Klasse F zu messen, ist ASTM C618, womit gewöhnlich der puzzolanische Aktivitätsindex gemessen wird, indem ein 20 %-iges Puzzolan-zu-Zement-Gemisch im Vergleich zu der Schlackeanforderung eines 50 %-igen Puzzolan-zu-Zement-Gemischs getestet wird. Wenn das Puzzolan nicht mittels des hier besprochenen Prozesses behandelt wird, kann unbehandeltes Flugaschepuzzolan gewöhnlich nicht die Testanforderungen einer Schlackegüte von 80 erfüllen.
Es wird angenommen, dass mit kleinerer Teilchengröße die Reaktivität zunimmt. Wenn darüber hinaus Flugasche auf unter 45 µm heruntergemahlen werden kann, so kann man das Material einer Luftklassifizierung unterziehen, um die feineren Teilchen herauszusortieren. In dem Luftklassifizierungsprozess werden die übermaßigen Teilchen herausgenommen, wodurch die feineren Teilchen zurückbleiben, um die chemische Reaktion herbeizuführen. Indem man aber die größeren Teilchen entfernen und entsorgen muss, werden sowohl aufgewendetes Material als auch aufgewendete Energie vergeudet. Es wäre daher wünschenswert, die Flugasche der Klasse F oder das Puzzolan komplett so heruntermahlen zu können, dass über 90 % kleiner als 25 µm sind, oder wenn es nicht gelänge, die Flugasche hinreichend herunterzumahlen, so wäre es zumindest wünschenswert, die Oberfläche der Flugasche zu aktivieren, um High-Range-Beton herzustellen.
Zwar werden in der Zement- oder Betonindustrie große Walzenmühlen und Kugelmühlen zum Zerkleinern von Puzzolanen verwendet, doch diese Mühlen erzeugen keine aktivierten Teilchen; zum einen, da das bloße Zerkleinern von Puzzolan das Puzzolan weder poliert noch schleift, und zum anderen, da die Verweildauer in solchen Mühlen recht kurz ist. In der Regel liegt die Verweildauer beim Zerkleinern von Puzzolanen zwischen 3 und 10 Sekunden, da diese Arten von Mühlen nicht die Oberflächen der Teilchen abschleifen, sondern sie vielmehr durch das Auftreffen der Puzzolanteilchen auf eine Rippe oder einen anderen Vorsprung, wo die Teilchen zerbrochen werden, aufspalten. Das heißt, die eigentliche Arbeit, die an der Oberfläche eines bestimmten Teilchens verrichtet wird, ist extrem kurz, da diejenigen, die mit großen Kugelmühlen arbeiten, lediglich bestrebt sind, die größeren Teilchen zu zerbrechen, und keinen Schwerpunkt darauf legen, reaktivitätsoptimierte kleinere Teilchen mit vergrößerten Oberflächen zu erhalten. Also selbst wenn die größeren Kugelmühlen Teilchen unter 45 µm Durchmesser erzeugen könnten, erzeugen sie immer noch keine aktivierten Teilchen, wie es die den Gegenstand dieser Erfindung bildende, noch zu beschreibende Behandlung tut. Darüber hinaus helfen chemische Zusatzstoffe, die dem Prozess beigegeben werden, das nun aufnahmefähige oberflächenvergrößerte Puzzolan zu aktivieren.
Kurz gesagt, hat sich das Mahlen von Puzzolan bis jetzt immer nur auf das Zerbrechen der Teilchen konzentriert, und nicht darauf, sie herunterzumahlen oder zu polieren.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Um das Puzzolan so reagieren zu lassen, dass es mindestens dem Niveau von granulierter Hochofenschlacke entspricht oder sogar eine Produktleistung erreicht, die einer Schlackegüte von 120 entspricht, stellt eine spezielle Rotationsmühle aktivierte Flugascheteilchen bereit, deren Oberfläche im Bereich von 30 % bis 90 % oder mehr vergrößert ist. Gleichzeitig wird Kalk zu den Flugascheteilchen zugemahlen, so dass sie mit Kalzium beschichtet werden. Wenn den zugemahlenen, kalkbeschichteten, in der Mühle verarbeiteten Flugascheteilchen in der hier besprochenen Mühle nicht mit Kalk beschichtete Flugascheteilchen in einer Menge von 4–10 Gewichts-% der kalkbeschichteten Flugascheteilchen zugemahlen werden, so kann eine Produktleistung erreicht werden, die einer Schlackegüte von 100 entspricht. Bei Zugabe weiterer Zusatzstoffe kann die Produktleistung auf eine Schlackegüte von 120 erhöht werden.
Um die Oberfläche von unbehandeltem Puzzolan zu vergrößern, verwendet die hier besprochene Rotationsmühle verschiedene Größen und Formen keramischer Medien und verlängert die Verweildauer der Puzzolanteilchen auf 30 Minuten oder länger in einem diskontinuierlichen Prozess. Es wurde herausgefunden, dass, wenn das ursprünglich behandelte Material in der Mühle verbleiben und, ausgehend von 0,695 m²/g, auf eine Gesamtfläche von etwa 1,263 m²/g oder größer heruntergemahlen werden kann, die Oberfläche aller Teilchen, und insbesondere der sphärischen Teilchen, vergrößert werden kann.
Zusammenfassend ausgedrückt, kann die Oberfläche sowohl der nicht-sphärischen als auch der sphärischen Teilchen durch Mahlen der nicht-sphärischen Teilchen und durch Aufrauen der Oberfläche der Kugeln vergrößert werden. Beide Arten von Teilchen werden in der hier besprochenen Mühle unter Verwendung eines speziell zusammengestellten Gemisches keramischer Medien behandelt. Das heißt, dass die kleinen sphärischen Teilchen zwar nicht zerbrochen werden, dass aber die hier besprochene Mühle sie trotzdem unter Verwendung der speziell zusammengestellten Medien gegeneinander schlägt, um die Oberfläche der kleinen sphärischen Teilchen zu vergrößern, um sie zu aktivieren, während gleichzeitig nicht-sphärische Teilchen auf einen immer kleineren Durchmesser gemahlen werden, um eine vergrößerte und nun reaktive Oberfläche bereitzustellen.
Das Ergebnis ist praktisch, dass das Puzzolan bis zu einer Oberfläche von 0,914 m²/g oder größer heruntergemahlen und/oder aufgeraut werden kann, um eine Schlackeproduktleistung der Güte 100 oder 120 zu erhalten. Somit kann Flugasche der Klasse F beträchtlich verbessert werden, indem man sie einfach mit der hier besprochenen Mühle bis zu einem Punkt mahlt, wo sie viel reaktiver ist, als wenn es nur ein Puzzolan mit einer Schlackeproduktleistung von weniger als Güte 80 wäre.
Wenn – in einer Ausführungsform – nur 4 % dieser verarbeiteten Flugasche, der Ätzkalk in einem Verhältnis von 85 % Puzzolan zu 15 % Ätzkalk zugemahlen wurde, zugegeben werden und dann diesem Gemisch mit Puzzolan in der hier besprochenen Mühle weitere Zusatzstoffe zugemahlen werden, so kann man eine Mindest-Produktleistung, die einer Schlackegüte von 100 entspricht, oder sogar eine Produktleistung, die einer Schlackegüte von 120 entspricht, erhalten.
Wie oben angesprochen, erzeugt die Verwendung der hier besprochenen Rotationsmühle aktivierte Teilchen, die, wenn sie mit einem Ätzkalk-Zusatzstoff vermischt werden, dem dann Puzzolan mit 4 Gewichts-% des Puzzolan oder mehr zugemahlen wird, mindestens eine Produktleistung erbringen, die einer Schlackegüte von 100 entspricht. Des Weiteren kann mit der Zugabe von Polycarboxylat-Betonverflüssigern(-Fließmitteln) in Pulverform eine Produktleistung erreicht werden, die einer Schlackegüte von 120 entspricht.
Es wurde herausgefunden, dass der Polycarboxylat-Betonverflüssiger/-Fließmittel mit dem in der Mühle behandelten Puzzolan mit Raten von nur 0,1 Gewichts-% reagiert und dennoch der in der Mühle behandelten Flugasche der Klasse F nur mit dem Kalk-Zusatzstoff und ohne Portlandzement Festigkeit verleiht. Dies zeigt an, dass die Reaktion mit dem nun oberflächenvergrößerten amorphen Glas und den heruntergemahlen nicht-sphärischen Teilchen einzigartig ist.
Darüber hinaus reagiert das gebundene Kalzium auf der Oberfläche und/oder das Kalzium, das nun mit den nicht-sphärischen Teilchen heruntergemahlen ist, viel schneller als normale puzzolanische Reaktionen.
Eine weitere Behandlung, die nun mit dem Puzzolan mit einer Oberfläche von 1,2 m²/g oder größer verwendet werden kann, ist die Zugabe einer kleinen Menge Kalziumaluminat-Zement mit einem zugemahlenen Lithiumpulver von 0,1–0,2 %, um eine Produktleistung, die einer Schlackegüte von 120 entspricht, ohne den Kalk-Zusatzstoff zu erhalten. Dieses Gemisch wird mit 2 Gewichts-% oder weniger dem in der Mühle behandelten Puzzolan hinzugefügt, wodurch die Oberfläche auf 1,263 m²/g vergrößert wird, um eine Schlackegüte 120 und höher zu erhalten.
Dies alles wird durch den Gebrauch der hier besprochenen Rotationsmühle ermöglicht, die mit einem speziell zusammengestellten Gemisch aus unterschiedlichen Medien arbeitet, um Medien unterschiedlicher Sorten bereitzustellen. In einer Ausführungsform beinhaltet dies das folgende Gemisch: ½ Inch zylindrische Keramik; ¼ Inch zylindrische Keramik; ¾ Inch konische Keramik; und 8 mm Perlen. In einer weiteren Formulierung wird ein Gemisch aus 5/8 Inch-Zylindern mit ¾ Inch-Konen und 1/8 Inch-Zylindern verwendet. Es wurde herausgefunden, dass viele andere Medienkombinationen ebenfalls funktionieren und dass die Verweildauer zum Erreichen der Oberfläche von 1,263 m²/g oder größer von beispielsweise 1 Stunde auf weniger als 45 Minuten verkürzt werden kann, da die Medien auf das bestimmte behandelte Puzzolan abgestimmt werden. Das Endergebnis ist, dass durch Verwenden der hier besprochenen Mühle und der mehreren Medien die Gesamtoberfläche enorm vergrößert werden kann, um eine erhöhte Reaktivität zu erreichen.
Insbesondere wurde herausgefunden, dass man durch Verwendung dieser verschiedenen Formfaktoren und Größen von Medien in dieser Rotationsmühle nicht-sphärische Puzzolanteilchen gezielt heruntermahlen und aktivieren kann, während gleichzeitig die vorhandenen sphärischen Teilchen genommen werden und ihre Oberfläche vergrößert wird. Das heißt, durch Auswählen der Medien und ihres Gewichts dergestalt, dass ein speziell zusammengestelltes Gemisch in der Rotationsmühle bereitgestellt wird, kann man gezielt die Größe einer einzelnen Komponente verringern, während das Mahlen der zweiten Komponente vermieden wird; oder alternativ kann man die Größe einer einzelnen Komponente verringern, während die Oberfläche einer zweiten Komponente behandelt wird. Somit kann die Mühle in Abhängigkeit vom Gemisch der verschiedenen Medien in der Mühle und ihrer Ausgestaltung mehrere Komponenten unterschiedlich behandeln.
In einer Ausführungsform werden drei verschiedene Medien in der Medienschicht für die Mühle so miteinander vermischt, dass in der Mühle befindliche Puzzolanteilchen in der Mühle verbleiben und unablässig von einigen dieser Medien getroffen werden und unablässig von anderen Medien getroffen werden. Wenn man die Mühle vor dem Entleeren 30 Minuten lang laufen lässt, so kann zunächst einmal die Verweildauer des Materials in der Mühle über die Verweildauer von 1 Minute, die im Fall der großen Walzenmühlen typisch ist, hinaus verlängert werden.
Dem Fachmann ist klar, dass die oben beschriebene Mühle eine Trockenverarbeitungsmühle ist und sich stark von Rüttelkugelmühlen unterscheidet, die für ihren Betrieb einen erheblichen Energiebedarf sowie komplizierte Hydraulik erfordern und sehr schwer sind. Es ist anzumerken, dass Rüttelkugelmühlen ein Gehäuse haben, in das zu mahlendes Produkt eingeleitet wird, sowie ein Bett aus Kugeln und Medien aufweisen, das auf einem Rütteltisch liegt, der mit zwei 50–75 PS starke Motoren ausgestattet ist, die die Mühlen auf und ab rütteln. Diese Mühlen können in der Regel nur 10 Sekunden Verweildauer ermöglichen, und selbst die modernsten dieser Rüttelmühlen erlauben maximal nur zwei Minuten Verweildauer. Es versteht sich, dass diese Verweildauer nicht annähernd ausreicht, um aktivierte Flugascheteilchen der Klasse F zu erzeugen, und wenn man versucht, die Mühle weiter zu drosseln, so geht Produktionsrate verloren. Und da die Rüttelkugelmühle ein riesiges Hydrauliksystem hat, ist der Wartungsaufwand erheblich.
Es wurde herausgefunden, dass, wenn man Flugasche mit der hier besprochenen kleinen Rotationsmühle verarbeiten kann, man gerade einmal 4 % dieser verarbeiteten kalkbeschichteten Flugasche zuzumahlen oder einzumengen braucht, um eine Produktleistung zu erreichen, die einer Schlackegüte von 100 entspricht. Es wurde herausgefunden, dass man mit zusätzlichen Zusatzstoffen, wie zum Beispiel einem Polycarboxylat-Betonverflüssiger oder aktiviertem Kalziumaluminat, regelmäßig eine Produktleistung erreichen kann, die einer Schlackegüte von 120 entspricht.
Wenn man mit typischer Flugasche beginnt, die aus einem Gemisch aus sphärischen und nicht-sphärischen Teilchen mit einer Oberfläche von etwa 0,695 m²/g besteht, und wenn man diese Art von Ausgangsmaterial in die hier besprochene Mühle einfüllt, die zerkleinert die Mühle die kleinen Teilchen oder mahlt sie auf 25 µm oder weniger herunter, während gleichzeitig die Oberflächen kleiner sphärischer Teilchen gezielt aufgeraut werden. Diese beiden unabhängigen Prozesse aktivieren die separaten Komponenten der Flugasche und vergrößern die kombinierte Oberfläche auf 1,263 m²/g oder größer. Das heißt, die Mühle dient dem Zweck des Heruntermahlens nicht-sphärischer Teilchen, während gleichzeitig die kleinen sphärischen Ferroaluminasilikatglasperlenreilchen nicht zerbrochen werden, sondern vielmehr eine aufgeraute Oberfläche an diesen Teilchen erzeugt wird, wodurch die Oberfläche vergrößert wird, wodurch die reagierenden Materialien auf der Oberfläche der Glasperlen mit Kalzium oder Kalziumverbindungen reagieren können.
Die wichtige Erkenntnis der hier besprochenen Erfindung ist, dass die Ausgangsoberfläche um mindestens 30 % für eine Schlackegüte von 100 oder 70 % oder mehr für eine Schlackegüte von 120 vergrößert werden muss. Es ist zu beachten, dass jedes Puzzolan verschieden sein kann. Zum Beispiel begann die Oberfläche in einem Testlauf mit 1,15 m²/g, aber am Ende der Verarbeitung mit Zusatzstoffen hatte die Oberfläche eine Größe von 1,986 m²/g.

Der Schlüssel der hier besprochenen Erfindung liegt darin, dass die Ausgangsoberfläche für das Puzzolan um die oben angegebenen Prozentwerte vergrößert werden muss und nicht unbedingt mit einer bestimmten vorgegebenen Oberfläche im Zusammenhang steht. Dies bewirkt im Zusammenspiel mit dem Polycarboxylat-Betonverflüssiger eine Puzzolanzementreaktion, die eine gewisse Festigkeit ohne Zugabe von Portlandzement gewinnt, wenn Flugasche der Klasse F verwendet wird, wie sie zum Beispiel im Limestone-Kraftwerk in Jewett, Texas, erzeugt wird. Wenn Schlackepuzzolane 50 % bis 80 % des Portlandzements in einer Betonmischung ersetzen, und wenn die Oberfläche stimmt, und wenn der Kalk-Zusatzstoff in einer Menge von mindestens 4 % des aktivieren Puzzolans vorliegt, so kann man eine Abbindedauer von 1,5–2 Stunden, was für Beton aus Portlandzement typisch ist, und die in der folgenden Tabelle gezeigten Oberflächenzuwächse erreichen. TABELLE 1

	Limestone-Flugasche	Mundra-Flugasche	Utira-Tech-Flugasche
m²/g BET-Oberfläche
Roh 0,985	0,695	1,158
Roto-gemahlen VBM-gemahlen	0,914 0,703
Roto-gemahlen mit Zusatzstoff	1,263	1,986	1,318
Diff. % Änderung	0,568 81,72	0,828 71,5	0,333 33,80

Die Erkenntnis daraus ist: Je größer die Änderung der Oberfläche, desto leichter kann sie von dem Zusatzstoff getroffen werden, um 70 % oder mehr Oberflächenvergrößerung zu erreichen. Unter der Annahme, dass Zusatzstoff 1 Flugasche ist, der ein Kalzium-Zusatzstoff zugemahlen wurde, dass Zusatzstoff 2 einen Polycarboxylat-Betonverflüssiger (HRWR) enthält und dass Zusatzstoff 3 Kalziumaluminat-Zement enthält, der mit Lithium vorgemischt wurde, so braucht man nur 4 % von Zusatzstoff 1 und 0,175 % von Zusatzstoff 2. Wenn sich die Oberfläche weniger als 33 % verändert, so gibt man mehr Kalzium-Zusatzstoff zu, um den Gütegrad 120 zu erreichen, beispielsweise 8 %, oder man belässt es bei 4 % und hat eine Produktleistung, die einer Güte von 100 entspricht. Dank der größeren Oberflächenveränderungen kann man eine von Güte 120 mit nur 4 % des Zusatzstoffs erreichen.
Des Weiteren ist die Oberflächendifferenz zu beachten, die bei Verwendung einer standardmäßigen Rüttelkugelmühle oder der hier besprochenen Roto-Mühle verfügbar ist. Bei Verwendung des gleichen Ausgangsmaterials vergrößert die hier besprochene Roto-Mühle die Oberfläche um 31,5 %, während die standardmäßige Rüttelkugelmühle die Oberfläche nur um 1,1 % vergrößert.
Nachdem die aktivieren Puzzolanteilchen hergestellt wurden, können Fasern zu den aufgerauten Kugeln und der aktivieren nicht-sphärischen Flugasche gegeben werden, um die Produktleistung weiter zu steigern. Die Verwendung von Polypropelenfasern in Beton ist allgemein bekannt. Es ist jedoch entdeckt worden, dass bei Verwendung von Fasern mit einer Länge von nur ¼ Inch und 0,05 mm Durchmesser in einer Menge von 0,2 Gewichts-% zu dem behandelten und chemisch hinzugefügten Puzzolanen diese kurzen Fasern mit dem nun feinen Puzzolanpulvergemisch vermengt werden können, um die Flexibilität und Druckfestigkeit der Mörtelkomponente der Betonmischung weiter zu verbessern, so dass spezielle Eigenschaften des Betons unter Verwendung der aktivieren Puzzolane optimiert werden können. Diese Art von Fasern werden normalerweise nicht in Beton verwendet, da gewöhnlich viel längere Fasern von 1 Inch bis 3 Inch verwendet werden, um die Leistung des Betons zu steigern. Diese langen Fasern werden gewöhnlich der Betoncharge hinzugefügt und in einem Chargenmischer vermischt oder in einen Trommelmischer geworfen, um den Fertigbeton zu erhalten.
Bei Verwendung der speziellen Mühle und des aktivieren Puzzolans werden die kurzen Fasern mit dem behandelten Puzzolan vermischt und in dem Pulver an den Kunden geliefert, bevor das Pulver mit Sand, Zuschlagstoffen, Wasser, Portlandzement und den Beimengungen, die zur Betonherstellung verwendet werden, vermischt wird. Durch Hinzufügen dieser Fasern erreicht man eine 25 %-ige Zunahme der Druckfestigkeit gegenüber einer faserfreien Probe. Es ist zu beachten, dass in einer Ausführungsform das Verhältnis der Faserzugabe in dem Pulver 0,2 % beträgt.
Der Polycarboxylat-Betonverflüssiger hilft aber nicht nur beim Aktivieren der Kalziumaktivität in dem Puzzolan; in erster Linie dient er der Verringerung der Wassermenge, die verwendet wird, um den Mörtel oder Beton fließfähig zu machen. Wenn das Polycarboxylat dem Pulver in sehr niedrigen Mengen hinzugefügt wird, so wird die zusätzliche Eigenschaft erhalten, dass es die Menge des Wassers verringert, die benötigt wird, um die gewünschte Senkung oder Viskosität in dem Mörtel oder Beton zu erhalten. Das heißt, durch Verwendung der hier besprochenen Technik kann man Beton mit einer geringeren Menge Wasser darin herstellen. Niedrigere Wasser-Zement-Verhältnisse in Beton führen zu einem länger haltbaren Beton. Die bessere Produktleistung entsteht dadurch, dass die Poren, die ursprünglich mit Wasser gefüllt waren, nun mit sehr kleinen reaktiven Teilchen ausgefüllt sind. Dies führt zu größerer Festigkeit. Kurz gesagt: bei einem höheren Feststoffgehalt ist es weniger wahrscheinlich, dass Wasser durch den Beton dringen kann, mit dem Ergebnis, dass dank seiner Undurchlässigkeit Probleme wie Sulfatangriffe und Alkalisilikatreaktivität deutlich verringert werden. Je wasserundurchdringlicher man den Beton macht, desto länger wird der Beton halten und desto länger hält seine Widerstandsfähigkeit.
Zusammenfassend ausgedrückt, wird eine Rotationsmühle mit einer Medienschicht bereitgestellt, die aus unterschiedlich großen und unterschiedlich geformten Medienkomponenten besteht, um Puzzolan zu verarbeiten, um mindestens eine 30 %-ige Vergrößerung der Oberfläche zu erhalten, so dass bei Kombination mit unbehandeltem Puzzolan eine gesteigerte Aktivität erreicht wird, um eine Produktleistung zu erhalten, die einer Schlackegüte von 100 oder besser entspricht, sofern Zusatzstoffe wie zum Beispiel zugemahlenes, kalkbeschichtetes Puzzolan beigegeben werden. Zu weiteren Zusatzstoffen gehören ein Polycarboxylat-HRWR und in einigen Fällen Kalziumaluminat-Zement, der mit Lithium vermischt ist. Die vergrößerte Oberfläche wird durch die Rotationsmühle aufgrund eines speziell zusammengestellten Gemischs aus Medien bereitgestellt, die nicht-sphärische Teilchen heruntermahlen und die Oberfläche der amorphe Glasperlen aufrauen, um so ihre Reaktivität zu vergrößern, wobei die Mühlenmedien unterschiedlich auf das nicht-sphärische Puzzolan und das sphärische Puzzolan wirken, d. h. indem im einen Fall zerkleinert und im anderen Fall poliert wird. Die Reaktivität entweder des nicht-sphärischen gemahlenen Puzzolans oder des sphärischen Puzzolans wird in Kombination mit anderen chemischen Zusatzstoffen verwendet, um eine Produktleistung zu erreichen, die einer Schlackegüte von 100 oder besser entspricht.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Diese und andere Merkmale der hier besprochenen Erfindung werden in Verbindung mit der detaillierten Beschreibung und den Zeichnungen besser verstanden, wobei in den Zeichnungen Folgendes zu sehen ist:
1 ist ein Blockschaubild eines Prozesses zum Behandeln von Flugasche unter Verwendung einer kleinen Rotationsmühle;
2 ist eine schaubildhafte Illustration der kleinen Rotationsmühle von 1, welche die Beigabe von gemahlener Flugasche und Ätzkalk mit der aktivieren Flugasche veranschaulicht;
3 ist eine schaubildhafte Illustration eines Endes der Rotationsmühle von 2, die nach innen hervorstehende Mischerrippen veranschaulicht, die auch Stollen in strukturierten Intervallen umfassen können, um ein weiteres Aufrauen und Mahlen spezieller Teilchen durch die Mühle zusätzlich zu unterstützen und die Oberflächenvergrößerung in kürzerer Zeit zu erhalten, wobei außerdem ein schlitzartiger Austrittsport für die aktiviere Flugasche gezeigt ist, und
4 ist eine Querschnittsansicht der Rotationsmühle von 2, welche die aus mehreren Medien bestehende Charge am Boden der Mühle, den Materialfluss durch die Mühle und den Austritt von aktivierter Flugasche aus der Mühle veranschaulicht.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Wir wenden uns 1 zu. In einer Ausführungsform wird der hier besprochenen Rotationsmühle 10 Flugaschepuzzolan 12 sowie ein Kalzium-Zusatzstoff 14 und optional Fasern 16 zugeführt. Der Kalzium-Zusatzstoff kann entweder Ätzkalk, Löschkalk, Kalziumcarbonat, Kalziumformat oder Kalziumnitrat oder jede beliebige kalziumhaltige Verbindung sein.
Die Rotationsmühle 10 stellt mehrere Trockenverarbeitungsmedien bereit, wobei die Rotationsmühle eine speziell zusammengestellte Medienzusammensetzung aufweist, die speziell für das Mahlen nicht-sphärischer Flugascheteilchen, zum Polieren sphärischer Teilchen und des Weiteren zum Beschichten der Oberfläche der Flugasche mit dem Kalzium-Zusatzstoff geeignet ist. Das Ergebnis ist ein zugemahlenes, kalkbeschichtetes Puzzolan, das als eine Zusatzstoff 17 auf der Zuleitung 20 verfügbar ist, das aus einem Zusatzstoff besteht, bei dem Kalzium der Flugasche zugemahlen wird. In einer Ausführungsform besteht der Zusatzstoff 17 aus 85 % Flugasche und 15 % Kalziumprodukt.
Dieser aktivierte kalkbeschichtete Flugasche-Zusatzstoff wird in einer Menge von 4–10 Gewichts-% Flugasche zu einer zweiten Rotationsmühle 22 hinzugefügt, zu der die Rohflugasche 12 aus einem Vorrat zugegeben wird. Dem Fachmann ist klar, dass nach dem Mahlen durch die Rotationsmühle 22 die Gesamtoberfläche um mindestens 30 % vergrößert ist, so dass, wenn das verarbeitete Produkt aus der Rotationsmühle 22 zu einem Mischer 24 geleitet und mit Zuschlagstoff, Portlandzement und Wasser vermischt wird, ein Beton entsteht, der mindestens eine Produktleistung aufweist, die einer Schlackegüte von 100 entspricht.
Der Fachmann weiß, dass es vorteilhaft ist, das Produkt aus der Rotationsmühle 10 ohne weitere Zusatzstoffe zu verwenden, da die Gesamtoberfläche der Flugasche enorm vergrößert wurde.
Um jedoch die Reaktivität der Flugasche weiter zu erhöhen, erhöht in einer Ausführungsform ein zweiter Zusatzstoff 18, der einen Polycarboxylat-Betonverflüssiger in Pulverform in einer Menge von 0,1–0,2 Gewichts-% der Flugasche umfasst, die Reaktivität der Flugasche zusätzlich Dieser zweite Zusatzstoff wird der Rotationsmühle 22 hinzugefügt, der, wenn ihm Flugasche 12 zugemahlen wird, eine noch bessere Reaktivität für die aktivierte Flugasche, die bei 24 zu mischen ist, ermöglicht.
Es ist anzumerken, dass, anstatt Zusatzstoff 2 zu Zusatzstoff 1 in der Rotationsmühle 22 hinzuzufügen, das verarbeitete Produkt aus der Rotationsmühle 22 mit dem Zusatzstoff 1 in einen Mischer 26 gegeben werden kann, der die Flugasche, der der Zusatzstoff 1 zugemahlen wurde, vermischt und mit Zusatzstoff 2 vermischt.
Darüber hinaus ist es möglich, die Reaktivität noch weiter zu erhöhen, indem man einen weiteren Zusatzstoff 19, und zwar den Zusatzstoff 3, zu der Rotationsmühle 22 gibt, wobei der Zusatzstoff 3 Kalziumaluminat-Zement mit einer Lithiumverbindung umfasst, der in einer Ausführungsform auf ungefähr 2 Gewichts-% der Flugasche vorgemischt wird.
Auch hier kann man, anstatt den Zusatzstoff 3 der Rotationsmühle 22 zuzugeben, gleichermaßen das verarbeitete Produkt aus der Rotationsmühle 22, die dem Zusatzstoff 1 und dem Zusatzstoff 2 die Flugasche zumahlt, nehmen und im Mischer 26 mit dem Zusatzstoff 3 vermischen.
Wie veranschaulicht, ersetzt das verarbeitete Produkt aus der Rotationsmühle 22, ob durch den Mischer 26 oder nicht, 50–80 Gewichts-% Portlandzement im Mischer 24, um eine Produktleistung zu erhalten, die einer Schlackegüte von 120 entspricht.
Dem Fachmann ist des Weiteren klar, dass zwar zwei identische Rotationsmühlen bei 10 und 22 gezeigt sind, dass aber die Rotationsmühle 10 erneut verwendet werden kann, um dem Zusatzstoff 1, den sie zuvor erzeugt hatte, Flugasche und weitere Zusatzstoffe. wie zum Beispiel Zusatzstoff 2 und Zusatzstoff 3, zuzumahlen, anstatt zwei separate Rotationsmühlen bereitzustellen.
Das Endergebnis der oben beschriebenen Kombinationen ist eine Mindestvergrößerung der Oberfläche von 30 % auf eine maximale Vergrößerung der Oberfläche von über 70 %, wobei die Oberflächenvergrößerung die Möglichkeit bietet, Flugasche als einen Ersatz für teuren Portlandzement bei der Betonherstellung zu nutzen.
Mit Bezug auf die spezielle Mühle selbst, anstatt verschiedene Arten von Mühlen wie zum Beispiel eine Kugelmühle, eine Hammermühle, eine Rüttelmühle, eine Walzenmühle oder zahlreiche andere Arten von Mühlen zu verwenden, arbeitet die hier besprochene Rotationsmühle nach einem einfachen Trommeldesign, das sich mit einer vorgegebenen Geschwindigkeit dreht und in dem sich ein speziell zusammengestelltes Gemisch aus Medien, wie zuvor beschrieben befindet, so dass man die spezielle Rotationsmühle beschicken, das Puzzolan verarbeiten und das verarbeitete Puzzolan austragen kann, ohne dass man je die Rotation der Mühle anhalten muss, sondern sie nur auf eine optimierte Rotation zum Entleeren zu verlangsamen braucht.
In einer Ausführungsform wird das Produkt in einen Port eingeführt. An diesem Punkt wird die Mühle gestartet und beispielsweise mit zwischen 20 und 40 U/min gedreht. In einer Ausführungsform hat der Zylinder einen Durchmesser von 1,82 m (6 ft) und eine Länge von 3,04 m (10 ft), und hat einen Schlauchanschluss an jedem Ende an einem Schwenklager, wodurch sich die Trommel drehen kann, während gleichzeitig Luft auf einer Seite zugeführt und Produkt aus der anderen Seite entleert werden kann, während sich die Mühle weiter dreht. Luft wird eingeleitet, um die Mühlenprodukte aus dem Austrittsport durch eine speziell geschlitzte Austragsplatte herauszudrängen. Sobald das gewünschte Mahlergebnis erreicht wurde, dauert es je nach Anfangsbeladung der Mühle etwa 10 bis 15 Minuten, die Mühle zu leeren; an diesem Punkt wird sie neu beschickt.
Was den Mediengehalt der Mühle angeht, ist das Gemisch der Medien im Hinblick auf die Abstufungen und die konkrete Verarbeitung, die durch die Mühle erfolgen soll, wichtig. In einer Ausführungsform besteht das Gemisch der Medien aus ½-Inch-Zylindern und 1/8-Inch-Zylindern, denen 5/8-Inch-Zylinder in verschiedenen Kombinationen hinzugefügt werden können. Es ist anzumerken, dass man bei Verwendung von zwei Medien, beispielsweise eines 5/8-Inch-Zylinders und eines ½-Inch-Zylinders, dann die Mühle vielleicht eine Stunde lang drehen müsste, um das gewünschte Mahlergebnis zu erreichen. Wenn jedoch noch ein 1/8-Inch-Zylindermedium eingeführt wird, so kann die Mahldauer auf 15 Minuten verkürzt werden. Es ist zu beachten, dass in einer Ausführungsform die Mühle bis zur Hälfte ihres Volumens mit Medien gefüllt wird, während das zu mahlende Produkt die Füllung bis auf etwa zwei Drittel des Volumens der Mühle komplettiert.
Es wurde herausgefunden, dass durch die Verwendung von Chargen unterschiedlich großer Medien, in unserem Fall Keramikzylinder, d. h. 1 Inch zu 400 Pounds, ½ Inch zu 400 Pounds: ¼ Inch zu 800 Pounds oder andere Größenkombinationen, die Effizienz für die Verarbeitung der Flugasche gesteigert werden kann.
Darüber hinaus ist festgestellt worden, dass man sogar die Gesamt-Teilchengröße des Gesamtmaterials von beispielsweise 200 µm Spitzengröße und 25 µm Durchschnittsgröße auf 75 µm Spitzengröße und einen durchschnittlichen Durchmesser von 12 µm verringern kann. Darüber hinaus ist die Größenverringerung asphärischer Teilchen oder unregelmäßig geformter Schlacke oder Sand oder geschmolzener Teilchen, die im Brenner eines kohlebefeuerten Kraftwerks entstehen, enorm. Des Weiteren wird, wie oben angesprochen, die Größe sphärisch geformter amorpher Glasperlenteilchen nicht verringert, sondern diese werden einem Aufprall auf ihre Oberfläche ausgesetzt, um die Oberfläche zu vergrößern. Darüber hinaus werden alle nicht-sphärischen Teilchen und eine kleine Menge der sphärischen Teilchen, und zwar Cenospheres oder Kugeln mit geringer Festigkeit, beispielsweise mit 3.000–5.000 PSI Druckfestigkeit, auf nominell unter 25 µm, ausgehend beispielsweise von einer Größe von 200 µm, verkleinert. Das Mahlen erlaubt weiterhin, dass das verarbeitete Material eine gute Fließfähigkeit aufweist, wenn es in Mörtelmischungen getestet wurde, wobei eine geringe Menge Wasserreduzierer in Beton verwendet und in der gleichen Weise getestet wurde.
Kurz gesagt, verbessert in einer Ausführungsform die Vergrößerung der Oberfläche in dem Puzzolan um 73 % von 0,695 auf 1,263 m²/g die Reaktivität der Flugasche, wenn sie zusätzlich mit den oben genannten Zusatzstoffen behandelt wird, indem man Material, das sich in seinem natürlichen Zustand befindet, wenn es in einem Hochofen gebildet wurde, zementartig werden lässt, wenn es heruntergemahlen und mit Kalzium und anderen Beimengungen, wie zum Beispiel speziellen Carboxylaten, in Kontakt gebracht wird. Die Vergrößerung der Oberfläche bewirkt eine Beschleunigung der meisten zementartigen Reaktionen der Flugasche und erhöht deutlich die Aktivität der Gesamt-Flugasche im Vergleich zu nicht-heruntergemahlener Flugasche, nicht-oberflächengeschliffenen Kugeln und nicht-carboxylatbehandeltem Puzzolan.
Darüber hinaus ist entdeckt worden, dass ein spezielles Carboxylat die richtige Art von Flugasche aktivieren kann, und zwar Flugasche der Klasse F, die aus einer Mischung aus pulverförmiger Flussbeckenkohle und Braunkohle oder bituminöser Kohle vor dem Mahlen und Brennen in dem Hochofen hergestellt wurde, um zementartige Eigenschaften zu erhalten, ohne Portlandzement hinzufügen zu müssen, um Festigkeit zu erhalten.
Es ist des Weiteren zu beachten, dass die verwendete spezielle Mediencharge, die keramischer Natur ist, die erforderliche Behandlungszeit sowie die Drehzahl der Mühle und die Mediencharge im Verhältnis zur zu behandelnden Flugasche-Charge bestimmt.
Der Fachmann weiß, dass oben zwar das Mahlen von Flugaschepuzzolan beschrieben wird, dass es aber auch andere Puzzolane gibt, die von der hier besprochenen Mahltechnik profitieren. Zum Beispiel hat natürliches Puzzolan, wenn es dem hier besprochenen Mahlprozess unter Verwendung der gleichen Zusatzstoffe unterzogen wird, die gleiche Art von gesteigerter Produktleistung in Mörteln und Beton gezeigt.
In einer weiteren Ausführungsform wird Flugaschepuzzolan, das im Limestone-Kraftwerk erzeugt wurde, in einer Menge von 85 Gewichts-% Puzzolan verwendet, dem 15 Gewichts-% Ätzkalk hinzugefügt werden. Gibt man diese zwei Bestandteile in die Mühle und dreht diese beispielsweise 40 Minuten lang, so wird der Kalk praktisch in die Oberfläche des Puzzolans gehämmert, während das Puzzolan gleichzeitig aktiviert wird. Neben Ätzkalk kann man auch nassgebaggerten Kalk verwenden, obgleich der Ätzkalk die besseren Resultate zu erbringen scheint. Es wurde herausgefunden, dass das Puzzolan-Ätzkalk-Gemisch für sich allein verwendet werden kann, um Beton mit mindestens der Güte 100 zu erreichen.
In einer weiteren Ausführungsform kann man das Puzzolan aktivieren, ihm Ätzkalk zumahlen und es dann in einer Menge von 4 % oder mehr dem behandelten Puzzolan aus einer separaten Rotationsmühle beigeben. Mit diesem Gemisch kann man bis zu 60 % Portlandzement ersetzen. Das Endergebnis ist ein aktiviertes Puzzolangemisch, das mindestens auf gleichem Niveau reagiert wie gemahlene Hochofenschlacke, die Beton mit einer Schlackegüte von 100 erzeugt.
In einer weiteren Ausführungsform verwendet man eine große Walzenmühle, mahlt das Puzzolan auf eine Oberfläche von mindestens 0,95 m²/g herunter und gibt das verarbeitete Produkt der hier besprochenen Mühle in einer Menge von 4 Gewichts-% bei, um Schlacke der Güte 100 zu erhalten. Durch weiteres Mahlen auf eine Gesamtfläche von 1,2 m²/g oder mehr und Verwenden des Kalk-Zusatzstoffs und eines Betonverflüssigers kann man Schlacke der Güte 120 erhalten.
Bei einem weiteren Beispiel für die Produktion von Beton mit einer Schlackegüte von 120 nimmt man ein Puzzolan mit einer Ausgangsoberfläche von 1,158 m²/g und verarbeitet es in der hier besprochenen Mühle auf eine Oberfläche von 1,986 m²/g, um Schlacke der Güte von 120 zu erhalten, wenn sie nach dem Standard ASTM 989 getestet wurde.
Es können auch andere Zusatzstoffe und weiteres Mahlen neben anderen Zusatzstoffen verwendet werden, um die Einstufung auf Beton der Schlackegüte von 120 anzuheben. Dazu gehört die Verwendung einer sehr kleinen Menge von Kalziumaluminat-Zement, beispielsweise 2 Gewichts-% Puzzolan, das mit einer Lithiumverbindung heruntergemahlen wurde und dann dem Puzzolanzement beigegeben wird. Es ist zu beachten, dass in einer Ausführungsform die Lithiumverbindung in einer Menge von 0,1 % oder weniger des Kalziumaluminats gemahlen wird, um das Kalziumaluminat zu beschleunigen, und auch, um Betonkonstruktionen vor Alkalisilica-Reaktivität zu schützen, da Lithium bekanntlich die Alkalisilica-Reaktivität oder ASR verringert.
Wir wenden uns nun 2 zu. Die spezielle Rotationsmühle 10 wird mit einer aus mehreren Medien bestehenden Charge beschickt. Die Mühle 10 ist mit einer mittigen Trommel 40 gezeigt, die mit Endplatten 42 und 44 versehen ist, die die vorgemahlene Flugasche aufnehmen, die in ein Einlassrohr 46 eingeleitet wird.
Die Trommel 40 ist auf Antriebsrädern 48 und 50 montiert, die an einem Rahmen 52 gestützt werden, wobei das Rad 48 durch einen Motor 54 angetrieben wird, um die Trommel mit einer üblichen Drehzahl von 20–40 U/min zu drehen.
Wie noch besprochen wird, dienen die unterschiedlichen Medien in der Mühle dazu, die asphärische gemahlene Flugasche zu mahlen, während gleichzeitig die sphärischen Teilchen aufgeraut werden, ohne sie zu zerkleinern, so dass aktivierte Flugasche 56 durch ein Auslassrohr 58, das mit Drehkupplungen 60 und 62 ausgestattet ist, ausgeworfen wird.
In einer Ausführungsform wird die Flugasche 12 in eine Luke 13 eingeführt, während die Mühle in einem diskontinuierlichen Prozess betrieben wird, um der bei 13 eingeleiteten gemahlenen Flugasche Ätzkalk 14 zuzumahlen. Die typische diskontinuierliche Verarbeitungszeit zum Verarbeiten der vorgemahlenen Flugasche beträgt zwischen 45 und 60 Minuten. Danach wird die Trommel 40 mittels Gasdruck am Rohr 46 geleert, um die aktivierte Flugasche durch das Rohr 58 und die Leitung 64 hinauszudrängen. Die aktivierte Flugasche hat zwar im Allgemeinen einen mittleren Durchmesser von weniger als 25 µm, doch insbesondere hat sie eine deutlich vergrößerte Oberfläche, wie zum Beispiel in Verbindung mit 1 beschrieben wurde.
Wir wenden uns 3 zu. Das Antriebsrad 48 treibt die Trommel 40 an, wobei das Rad 50 als ein mitlaufendes Stützrad fungiert. Im Inneren der Trommel 40 befinden sich eine Anzahl Rippen 70, die nach innen in das Innere der Trommel 40 hervorstehen. Des Weiteren ist eine geschlitzte Endaustrittsplatte 71 mit Schlitzen 72 gezeigt, durch die aktivierte Flugasche hindurch gelangt, wobei die Schlitze einen Filter für die aktivierte Flugasche bilden.
Wir wenden uns 4 zu, wo die Trommel 40 mit geschlitzten Platten 71 gezeigt ist, die mit einer Eingangssammelkammer 74 und einer Ausgangssammelkammer 76 durch Endplatten 42 und 44 hindurch in Strömungsverbindung stehen.
Die Trommel 40 ist mit einer speziell zusammengestellten Charge aus keramischen Medien vorbeladen, hier bei 80 gezeigt, die unterschiedlich große keramische Medien 82 und 84 enthalten. Deren Formulierung bestimmt den Betrag des Mahlens der in die Trommel 40 eingeleiteten Flugasche, wie bei 86 veranschaulicht, die mindestens ein Drittel des Volumens der Trommel 40 belegt, wie bei 88 veranschaulicht.
In einer Ausführungsform wird, wenn die vorgemahlene Flugasche durch die hier besprochene kleine Rotationsmühle 45 Minuten lang gemahlen wurde, die aktivierte Flugasche 88 durch Schlitze 42 in der Austrittsplatte 71 ausgeworfen.
Was die Zusammensetzung der mehreren Medien angeht, kann diese Formulierung speziell zusammengestellt werden, wie oben angesprochen. Beispielsweise kann die Formel für die Medien ½ Inch große zylindrische keramische Medien, ¼ Inch große zylindrische keramische Medien, ¾ Inch große konische keramische Medien und acht Millimeter große Perlen enthalten. Wie ebenfalls oben beschrieben, kann man in einer anderen Formulierung ein Gemisch aus 5/8 Inch großen Zylindern mit ¾ Inch großen Konen und 1/8 Inch großen Zylindern verwenden, wobei es sich versteht, dass es viele verschiedene Medienkombinationen gibt, die in Kombination mit verschiedenen Arten von Flugasche und verschiedenen Verweildauern verwendet werden können.
Beispielsweise kann man in Abhängigkeit von der Medienformulierung die Verweildauer von beispielsweise einer Stunde auf weniger als 45 Minuten senken, wobei die Medien auf das behandelte Puzzolan oder die behandelte Flugasche abgestimmt werden.
Die hier besprochene Mühle kann somit in Abhängigkeit vom Gemisch der Medien in der Mühle und ihrer Ausgestaltung mehrere Komponenten unterschiedlich behandeln. Insbesondere mit Bezug auf die Behandlung von vorgemahlener Flugasche zum Herstellen von aktivierter Flugasche wirken die unterschiedlich ausgebildeten Medien anders auf die asphärische zerkleinerte Flugasche als auf sphärische Perlen. Im Fall von asphärischen Flugascheteilchen werden diese weiter heruntergemahlen, ohne dass sphärische Flugascheteilchen zerbrochen oder gemahlen werden. Andererseits werden die sphärischen Glasperlen poliert, um diese Oberfläche aufzurauen. In beiden Fällen wird die Oberfläche der Flugascheteilchen vergrößert. Das heißt, für die asphärischen Teilchen wird die vergrößerte Oberfläche durch Mahlen erreicht, während für die Glasperlen die vergrößerte Oberfläche durch Aufrauen der Oberfläche der Perlen erreicht wird.
Das Endergebnis ist, dass man durch die Verwendung der speziellen kleinen Rotationsmühle die Oberfläche von vorgemahlener Flugasche ernorm vergrößern kann, um sie hinreichend zu aktivieren, um eine Produktleistung zu erhalten, die einer Schlackegüte von 100–120 entspricht, wenn sie verwendet wird, einen Teil des Portlandzements zu ersetzen, der zur Herstellung von Beton verwendet wird.
Obgleich die vorliegende Erfindung in Verbindung mit den bevorzugten Ausführungsformen der verschiedenen Figuren beschrieben wurde, versteht es sich, dass auch andere ähnliche Ausführungsformen verwendet werden können oder dass Modifizierungen oder Hinzufügungen an der beschrieben Ausführungsform vorgenommen werden können, um die gleiche Funktion der vorliegenden Erfindung bereitzustellen, ohne von der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Daher ist die vorliegende Erfindung nicht auf irgend eine einzige Ausführungsform zu beschränken, sondern ist in ihrer Breite und ihrem Geltungsbereich gemäß den Formulierungen der beiliegenden Ansprüche auszulegen.

Claims

Verfahren zum Behandeln von Flugasche dergestalt, dass sie als Substitut für Portlandzement bei der Betonherstellung verwendet werden kann, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: Mahlen von Flugasche, die mindestens zwei Komponenten aufweist, in einer Rotationsmühle, die in Größe und Form unterschiedliche Medien aufweist, dergestalt, dass die Mühle die Oberfläche der zwei verschiedenen Komponenten der Flugasche vergrößert, um aktivierte Flugasche bereitzustellen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei eine erste Komponente der Flugasche nicht-sphärische Teilchen enthält und wobei eine zweite Komponente der Flugasche sphärische Komponenten enthält.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei die in Größe und Form unterschiedlichen Medien die Größe der nicht-sphärischen Komponenten der Flugasche verringern, während sie die Oberfläche der sphärischen Komponenten der Flugasche polieren, um so die Oberfläche beider Komponenten zu vergrößern.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei die Gesamtoberfläche der gemahlenen verarbeiteten Flugasche um mindestens 30 % vergrößert wird, um so die Flugasche reaktiver zu machen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Rotationsmühle den Flugaschekomponenten ein Kalzium zumahlt.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei das Kalzium mindestens eines von Folgendem enthält: Ätzkalk, Löschkalk, Kalziumcarbonat, Kalziumformat und Kalziumnitrat oder eine verwandte Kalziumverbindung.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei das verarbeitete Produkt aus der Rotationsmühle Kalzium enthält, dem Flugasche zugemahlen wird, um kalziumbeschichtete Flugascheteilchen zu bilden.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei den zugemahlenen kalziumbeschichteten Flugascheteilchen in einem anschließenden Zumahlschritt Flugasche zugemahlen wird, wobei die zugemahlene kalziumbeschichtete Flugasche in einer Menge von 4–10 Gewichts-% der Flugasche hinzugefügt wird.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei das verarbeitete Produkt aus dem anschließenden Zumahlschritt ein zugemahlenes Produkt zum Ergebnis hat, dessen Oberfläche um mindestens 30 % vergrößert ist, um aktivierte Flugasche zu bilden.
Verfahren nach Anspruch 9, das des Weiteren den Schritt enthält, 50–80 Gewichts-% Portlandzement durch die aktivierte Flugasche bei der Betonherstellung zu ersetzen.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei der Beton durch Vermischen der aktivierten Flugasche mit Zuschlagstoff, Portlandzement und Wasser hergestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, das des Weiteren den Schritt umfasst, das verarbeitete Produkt aus der Rotationsmühle mit einem Zusatzstoff, der einen Betonverflüssiger enthält, zu vermischen.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei der Betonverflüssiger in Pulverform vorliegt.
Verfahren nach Anspruch 13, das des Weiteren den Schritt umfasst, das verarbeitete Produkt aus der Rotationsmühle mit Kalziumaluminat-Zement zu vermischen.
Verfahren nach Anspruch 14, das des Weiteren umfasst, eine Lithiumverbindung mit dem Kalziumaluminat-Zement zu vermischen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Flugasche in der Rotationsmühle Kalzium zugemahlen wird, dergestalt, dass die Oberfläche der aktivierten Flugasche aus der Rotationsmühle um mindestens 30 % vergrößert wird, um eine Produktleistung zu erreichen, die einer Schlackegüte von 100 oder besser entspricht.
Verfahren nach Anspruch 16, das des Weiteren den Schritt umfasst, Zusatzstoffe zuzumahlen, die das aktivierte Flugascheprodukt aus der Rotationsmühle noch weiter aktivieren.
Verfahren nach Anspruch 17, wobei die zugemahlenen Zusatzstoffe die zugemahlene Flugasche so aktivieren, dass eine Produktleistung erhalten wird, die einer Schlackegüte von 120 entspricht.
Verfahren nach Anspruch 18, wobei die zugemahlenen Zusatzstoffe eines von Folgendem enthalten: Betonverflüssiger, Kalziumaluminat-Zement oder Kalziumaluminat-Zement, der mit einer Lithiumverbindung vermischt ist.
Verfahren nach Anspruch 19, wobei der Betonverflüssiger in Pulverform vorliegt.
Prozess zum Behandeln von Flugasche zum Aktivieren der Flugasche, um eine Produktleistung zu erhalten, die einer Schlackegüte von 100 oder besser entspricht, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: Zumahlen einer Kalziumverbindung zu Flugasche in einer Trockenverarbeitungs-Mehrmedien-Rotationsmühle mit speziell zusammengestellten Medien.
Verfahren nach Anspruch 21, wobei die Flugasche nicht-sphärische Flugascheteilchen und sphärische Flugascheteilchen enthält und wobei die Trockenverarbeitungs-Mehrmedien-Rotationsmühle die nicht-sphärischen Flugascheteilchen mahlt, während sie gleichzeitig die sphärischen Flugascheteilchen poliert, um so kalziumbeschichtete aktivierte Teilchen zu erzeugen.
Verfahren nach Anspruch 21, das des Weiteren das Zumahlen von Fasern zu der Flugasche in der Trockenverarbeitungs-Mehrmedien-Rotationsmühle umfasst.
Verfahren nach Anspruch 21, wobei die Trockenverarbeitung der Rotationsmühle in einem diskontinuierlichen Prozessmodus ausgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 24, wobei die Rotationsmühle eine Trommel umfasst, und wobei die Trommel mit zwischen 20–40 U/min gedreht wird.
Verfahren nach Anspruch 25, wobei die diskontinuierliche Verarbeitungszeit für die Produktion von aktivierter Flugasche länger als 15 Minuten und bis zu einer Stunde dauert.
Verfahren nach Anspruch 21, wobei die mehreren Medien keramische Medien enthalten, die zylinderförmig sind.
Verfahren nach Anspruch 27, wobei die keramischen Medien konische keramische Medien enthalten.
Verfahren nach Anspruch 28, wobei die Medien sphärische Perlen enthalten.
Verfahren nach Anspruch 21, wobei die Medien keramische Medien enthalten und wobei die keramischen Medien ein Gemisch aus 5/8-Inch-Zylindern mit ¾-Inch-Konen und 1/8-Inch-Zylindern enthalten.
Verfahren nach Anspruch 21, wobei die Medien keramische Medien enthalten und wobei die keramischen Medien ½ Inch große zylindrische keramische Medien, ¼ Inch große zylindrische keramische Medien, ¾ Inch große konische keramische Medien und acht Millimeter große Perlen enthalten.
Vorrichtung für die Verarbeitung von aus mehreren Komponenten bestehendem teilchenförmigem Material, die Folgendes umfasst: eine erste Rotationsmühle, die eine Trommel aufweist, die in ihrem Inneren Mischstrukturen und eine aus mehreren Medien bestehende Charge aufweist, die keramische Medien mit Größen und Formen umfasst, die bevorzugt eine Komponente mahlen, um ihre Größe zu verringern, während das Mahlen einer zweiten Komponente vermieden wird.
Vorrichtung nach Anspruch 32, wobei die Medien in der Mühle dafür ausgebildet sind, die Oberfläche der zweiten Komponente zu polieren.
Vorrichtung nach Anspruch 33, wobei die Komponenten Flugascheteilchen enthalten und wobei die Gesamtoberfläche der Flugascheteilchen aufgrund der Wechselwirkung der Medien mit den Komponenten um mindestens 30 % vergrößert wird.
Vorrichtung nach Anspruch 34, wobei das verarbeitete Produkt aus der ersten Rotationsmühle aktivierte Flugascheteilchen enthält.
Vorrichtung nach Anspruch 35, die des Weiteren einen Mischer umfasst, um die aktivierte Flugascheteilchen mit Zuschlagstoff, Portlandzement und Wasser zu vermischen, um Beton herzustellen.
Vorrichtung nach Anspruch 36, wobei die aktivierten Teilchen 50–80 Gewichts-% Portlandzement bei der Produktion des Betons ersetzen.
Vorrichtung nach Anspruch 32, die des Weiteren eine zweite Rotationsmühle umfasst, welche die speziell zusammengestellten Medien enthält, um dem verarbeiteten Produkt aus der ersten Rotationsmühle Flugasche zuzumahlen, um aktivierte Flugascheteilchen zu bilden, deren Oberfläche um mindestens 30 % vergrößert ist, wobei die erste Rotationsmühle kalziumbeschichtete Flugascheteilchen erzeugt, und wobei den kalziumbeschichteten Flugascheteilchen in der zweiten Rotationsmühle Flugascheteilchen zugemahlen werden.
Vorrichtung nach Anspruch 38, wobei das verarbeitete Produkt aus der zweiten Rotationsmühle mit einem Betonverflüssiger vermischt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 39, wobei der Betonverflüssiger in Pulverform vorliegt.
Vorrichtung nach Anspruch 40, wobei das verarbeitete Produkt aus der zweiten Rotationsmühle mit Kalziumaluminat-Zement vermischt wird, der mit einer Lithiumverbindung vorgemischt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 38, wobei die erste und die zweite Rotationsmühle dieselbe Rotationsmühle sind.
Teilchenförmige Flugasche mit einer Gesamtoberfläche von mehr als 0,9 m²/g.
Flugasche nach Anspruch 43, wobei das Flugaschepulver bei der Herstellung von Beton verwendet wird.
Flugasche nach Anspruch 43, wobei die Flugasche zum Herstellen von Zement verwendet wird.
Flugasche nach Anspruch 43, wobei die Flugasche Eigenschaften von Schlacke der Güte 100 oder besser aufweist.
Flugasche nach Anspruch 43, wobei die Gesamtoberfläche größer als 1,2 m²/g ist.
Flugasche nach Anspruch 47, wobei die Flugasche eine Produktleistung aufweist, die mindestens Schlacke der Güte 120 entspricht.
Flugasche nach Anspruch 43, wobei die Flugascheteilchen mit Kalzium beschichtet sind.
Flugasche nach Anspruch 43, wobei die Flugascheteilchen einen Betonverflüssiger enthalten.
Flugasche nach Anspruch 43, wobei die Teilchen Kalziumaluminat-Zement enthalten.
Flugasche nach Anspruch 52, wobei der Kalziumaluminat-Zement eine Lithiumverbindung enthält.
Flugasche nach Anspruch 43, wobei die Flugascheteilchen Fasern enthalten.