Какое влияние оказывает форма зерен на прочность и скорость твердения портландцемента?

Помимо показателей удельной поверхности, гранулометрического состава цементного порошка форма зерен портландцемента также оказывает существенное влияние на его вяжущие свойства.

В зависимости от типа помольного агрегата существенно изменяется форма цементного зерна. Так, форма частиц цемента осколочной «щебеночной» формы с острыми углами и сильно развитой конфигурацией взаимодействует с водой более интенсивно, в отличие от частиц цемента округленной, галькообразной формы.

При равных показателях удельной поверхности, равном содержании частиц цемента размерами 0-20 мкм, одинаковом химическом составе прочность цементного камня, состоящего из частиц осколочной формы, будет выше, нежели прочность цементного камня, состоящего из частиц округлой формы. Соответственно, и скорость твердения портландцемента с осколочной формой частиц выше, чем с округленной формой.

Таким образом, одно лишь изменение формы частиц цементного зерна с округленной на осколочную, при прочих равных условиях обеспечивает повышение активности портландцемента в среднем на 10 МПа.

Существующая зависимость формы цементного зерна от типа помольного агрегата позволяет сделать выводы о наиболее предпочтительном способе разрушения цементного зерна, обеспечивающем получение частиц осколочной формы.

Так, для способа разрушения частиц цемента методом истирания в трубных шаровых мельницах, работающих по открытому циклу, характерно получение частиц округлой галькообразной формы.

Частицы цемента получают округлую форму в результате длительного истирающего воздействия мелющих тел шаровой мельницы с частыми, но слабыми ударами падающих шаров. В результате зерна цемента, продвигаясь к выходу шаровой мельницы, истираются мелющими шарами и стенками мельницы, приобретают округлую форму. Степень окатанности цементного зерна зависит от формы и размера мелющих тел, соотношения между длиной и диаметром мельницы, степени заполнения камер мелющими телами, а также от ряда других факторов.

Однако общая динамика измельчения методом истирания следующая: чем большее время цементное зерно находится в шаровой мельнице, тем более окатанной становится его форма.

Таким образом, для получения материала высокой дисперсности необходимо увеличить время контакта с мелющими телами. Чем большее время цементное зерно контактирует с мелющими телами, тем более окатанную форму приобретает, чем более окатанная форма цементного зерна, тем ниже активность получаемого портландцемента.

Но основная проблема изготовления особо быстро твердеющего портландцемента с использованием шаровых мельниц заключается даже не в форме получаемого цементного зерна, а в большом количестве переизмельченного материала (подробнее о вреде переизмельчения цементного зерна мы расскажем ниже).

Перечисленные особенности измельчения цементного зерна методом истирания ни в коем случае не говорят о низкой эффективности наиболее широко распространенных агрегатов измельчения (шаровых мельниц, вибромельниц и т.д.) в практике получения рядового портландцемента. Рассматриваемые особенности данного типа измельчительного оборудования оказывают негативное воздействие на измельчаемый материал только при производстве высокоактивного, быстро твердеющего портландцемента.

Совершенно другая картина наблюдается при разрушении цементного зерна методом высоко энергонагруженного удара. Для этого метода разрушения цементного зерна характерна именно осколочная, кубовидная «щебеночная» форма частиц. Разрушение цементного зерна происходит в результате мощных ударов с минимальными промежутками времени между ними. В этом случае практически полностью исключается переизмельчение и агломерация тончайших частиц измельчаемого материала. Измельчаемый материал эффективно охлаждается, время его пребывания в помольном агрегате исчисляется сотыми долями секунды.

Высокая производительность, малая энергонагруженность, низкие масса-габаритные показатели — отличительные признаки измельчительных агрегатов ударного действия (дезинтеграторы, мельницы струйные).

Практика:

Выше мы рассмотрели основные факторы, оказывающие влияние на активность портландцемента.

Итак, показатели удельной поверхности оказывают существенное влияние на вяжущие свойства цемента, однако получение высокодисперсного порошка всегда сопровождается повышенным расходом энергии. Так, при измельчении цемента в шаровой мельнице (шаровые мельницы наиболее часто используются в производстве цемента на цементных заводах) до удельной поверхности 3000 см²/г ее прирост практически пропорционален затраченной работе (по закону Риттингера). Однако при более высокой степени измельчения, когда наступает агломерация тончайших частиц, прирост удельной поверхности сопровождается повышенным расходом энергии.

Таким образом, метод повышения активности портландцемента путем значительного увеличения его удельной поверхности не может быть признан целесообразным для производителей бетонных изделий по причине высокой себестоимости активации.

Другими словами, метод изготовления рядового портландцемента (М 400, М 500) с применением шаровых мельниц большой производительности, вполне оправдывающий себя при массовом производстве цемента, совершенно не подходит для предприятий, занятых в производстве бетонных изделий и заинтересованных в получении высокопрочных, быстро твердеющих вяжущих веществ. Тем более, что помимо высокой стоимости, значительных масса-габаритных показателей, высокой энергонагруженности шаровым мельницам свойственны и другие серьезные недостатки, снижающие их практическую ценность в деле получения высокомарочного портландцемента, в частности большой процент переизмельченного материала (подробнее о вреде переизмельчения цементного зерна мы расскажем ниже).

Метод повышения активности портландцемента путем увеличения массовой доли частиц размером 0-20 мкм при условии получения осколочной «щебеночной» формы частиц представляется более рациональным в условиях неспециализированных предприятий. Данный метод активации портландцемента рядового качества при относительно небольших затратах способен обеспечить впечатляющий и, что немаловажно, легко повторяемый в производственных условиях результат.

Однако, для реализации данного метода активации необходимо применение технологического оборудования, в корне отличающегося от оборудования, традиционно применяемого на цементных заводах (например, шаровых мельниц).

Будущее в практике получения высокоактивного портландцемента на предприятиях по выпуску изделий из бетона, несомненно, за измельчительными агрегатами ударного действия.