Почему активация портландцемента должна производиться непосредственно на производстве бетонных изделий?

Портландцемент - гидравлическое вяжущее вещество, для его твердения необходимо обеспечить контакт цементного зерна с водой. Взаимодействие портландцемента с водой приводит к образованию новых гидратных веществ, обуславливающих схватывание и твердение цементного теста, растворной или бетонной смеси.

Как говорилось в начале данной статьи, основные пути увеличения активности портландцемента, повышения прочности цементного камня, сокращение сроков твердения — это увеличение контактной поверхности цементного зерна, повышение массовой доли частиц определенного размера, получение частиц осколочной формы.

Перечисленные способы повышения активности портландцемента, прежде всего, направлены на обеспечение более полного контакта цементного зерна с водой затворения и, соответственно, сокращение доли цементного зерна не получившего возможности полноценного контакта с водой.

Процесс химического взаимодействия воды с цементным зерном, в результате чего образуются новые химические соединения, в состав которых входит кристаллическая вода, называется гидратацией цемента (в переводе с греческого «гидратация» — присоединение воды к различным веществам).

Так, увеличение контактной поверхности (показатель дисперсности материала) и осколочная форма частиц с зазубренными острыми краями, обеспечивает более интенсивное взаимодействие цементного порошка с водой, чем и обуславливается повышение вяжущих свойств цемента.

Именно обеспечение возможности контакта с водой всей массы цементного зерна позволяет получать высокопрочный и быстротвердеющий цемент.

Соответственно, работы по активации портландцемента направлены на увеличение количества цементного зерна, взаимодействующего с водой затворения.

Увеличение дисперсности, форма частиц, гранулометрический состав порошка — все это только инструменты активации, позволяющие увеличить контактную поверхность материала, интенсифицировать взаимодействие материала с водой.

Именно по этому, внедряя активацию портландцемента на производстве бетонных изделий, необходимо помнить о том, что от того какая часть от общей массы портландцемента получила контакт с водой затворения и зависит в конечном итоге практическая эффективность активации портландцемента.

В итоге, для получения максимального эффекта активации помимо проведения работ по измельчению цемента и приданию частицам размера и конфигурации, облегчающих их контакт с водой, необходимо уделять особое внимание непосредственно смешиванию цементного порошка с водой затворения.

Практическая активность цемента во многом зависит от сроков и, что особенно важно, условий его хранения. При хранении и транспортировке цемента в результате окисления поверхности цементного зерна наблюдается снижение его активности. Причем, чем выше активность цемента, тем скорее происходит окисление поверхности цементного зерна и тем скорее происходит снижение его активности.

Именно этим объясняются трудности, с которыми сталкиваются цементные заводы при организации производства особо быстро твердеющего цемента в промышленных масштабах.

Помимо увеличения затрат энергии на помол цементного клинкера, необходимости модернизации помольного оборудования (организация замкнутого цикла помола цементного клинкера), основной проблемой производства и реализации высокоактивного портландцемента является быстрая потеря его особых свойств.

Соответственно, производство высокоактивного портландцемента, который при существующих способах хранения и скорости доставки потребителю теряет большую часть своих исключительных свойств, для современных цементных заводов экономически не целесообразно.

Естественно, что при сложившемся дефиците портландцемента даже среднего качества цементные заводы совершенно не заинтересованы в производстве более сложного и «капризного» вяжущего материала, пусть и обладающего рядом уникальных свойств. Именно поэтому производство особо быстро твердеющего высокопрочного портландцемента на отечественных цементных заводах носит эпизодический характер, а особо быстро твердеющий портландцемент практически не встречается на отечественных стройках.

Производство особо быстро твердеющего высокопрочного портландцемента на цементных заводах в основном связанно с поступлением крупного, зачастую государственного заказа на выпуск ограниченных объемов портландцемента с особыми свойствами под сооружение крупных строительных объектов.

В результате рядовой потребитель портландцемента вынужден довольствоваться маркой М 500, как максимально возможной. Хотя потенциальные возможности портландцемента гораздо выше указанной марки и поэтому применение высокоактивного портландцемента в современном строительстве имеет исключительно важное практическое значение.

Прежде всего, применение высокоактивного портландцемента позволяет отказаться от наиболее длительного и дорогого процесса - тепловлажностной обработки бетонных изделий, значительно сократить потребность в металлических формах, сократить время выдержки бетона в опалубке.

Итак, высокомарочный быстро твердеющий цемент является товаром весьма скоропортящимся. Даже при благоприятных условиях хранения на цемент воздействует СО₂ и пары воды, содержащиеся в воздухе, что приводит к значительному снижению активности и прочности цемента. За 3 месяца хранения цемента его прочность снижается на 15-20 %, а через 6 месяцев хранения уже на 20-30 % и более. Особенно уязвимым является высокомарочный быстротвердеющий цемент: за 2-4 недели хранения он переходит в разряд обычных цементов. Всего за 2-5 суток хранения цемента в инвентарном складе (цементном силосе) при высоте слоя более 10 метров его объемная масса изменяется с 1.1 т/м³ до 1.6 т/м³. Поэтому от того, как на предприятии организована доставка, приемка и хранение цемента во многом зависит и его расход, и качество выпускаемой продукции.

Однако зачастую цемент приходит к потребителю уже потерявший исходную активность. Долгая перевозка, частая перегрузка пневмотранспортными машинами, аэрация, переувлажнение при перевозке или промежуточном хранении - все эти факторы способны в значительной степени снизить активность цемента и, соответственно, прочность цементного камня и как следствие привести к перерасходу цемента на производстве.

Причина этого все та же: окисление поверхности и как результат - снижение реакционной способности цементного зерна. Поэтому при организации работ по активации цемента в производстве строительных материалов необходима интеграция агрегатов активации непосредственно в линии производства бетонных и прочих изделий на основе минеральных вяжущих веществ для сокращения сроков хранения активированного цемента.

Оптимальным решением является использование цемента сразу же после его активации, когда его активность максимальна.

Практика:

Рассматриваемые причины практически полного отсутствия в практике отечественного строительства высокоактивного быстротвердеющего портландцемента не позволяют надеяться на скорое решение данной проблемы крупными цементными заводами.

Получение высокоактивного вяжущего материала путем активации рядового портландцемента среднего качества - дело строителей, производителей строительных материалов, заводов ЖБИ и К.

Именно производители сборного железобетона, мелкоштучных стеновых камней и т.д. оказываются в наибольшей степени заинтересованными в применении технологии активации портландцемента непосредственно на производстве бетонных изделий. Современное оборудование активации портландцемента дает такую возможность.

Однако зачастую производители строительных материалов, внедряющие технологию активации портландцемента, сталкиваются с определенными трудностями.

Остановимся подробнее на наиболее часто совершаемой ошибке, затрудняющей реализацию метода активации портландцемента в производстве строительных материалов.

Итак, как мы писали раньше, на прочность и скорость твердения портландцемента оказывает влияние тонкость его помола.
Но само по себе увеличение тонкости помола цементного зерна это еще не активация, напротив увеличение дисперсности цементного порошка сверх определенных показателей способно значительно снизить прочность и морозостойкость цементного камня.

Основная опасность увеличения тонкости помола портландцемента, особенно в случае его измельчения агрегатами истирающего действия, заключается в большом количестве переизмельченных частиц размерами 1-2 и даже 5 мкм.

Портландцемент, являясь гидравлическим вяжущим веществом, способен сравнительно быстро потерять свою активность в результате контакта мельчайших частиц с влажной средой, например с влагой воздуха.

Чем мельче частицы цемента, тем быстрее они гидратируют, даже при кратковременном контакте с влагой. Некоторые исследователи предполагают, что эти высокодисперсные частички при затворении цемента водой гидратируются так быстро, что не участвуют в последующем его твердении.

Если учесть, что получение высокодисперсных материалов требует значительных энергозатрат, метод активации портландцемента, основанный на существенном увеличении его удельной поверхности, нельзя признать оптимальным. Большие энергозатраты, связанные с получением высокодисперсного материала, имеющего показатели удельной поверхности более 4500 см²/г, совершенно не оправданны в плане получения практических результатов.

В любом случае, какой бы метод активации не был использован в производстве строительных материалов, переизмельчения цементного зерна при его активации следует избегать.

Зачастую именно переизмельчение цементного зерна на агрегатах истирающего действия мешает получить максимально возможный экономический эффект от использования активации цемента на производстве бетонных изделий.

Высокодисперсный материал, в частности цемент, дорог в производстве, а частицы 1-5 мкм, активно гидратируют при контакте с влагой воздуха, что делает невозможным даже непродолжительное хранение такого материала. При организации использования портландцемента без его промежуточного хранения стремительная гидратация частиц цемента размерами 1-5 мкм практически полностью исключит их участие в деле повышения прочности цементного камня.

Таким образом, при проведении работ по активации портландцемента непосредственно на производстве бетонных изделий необходимо помнить, что переизмельчение цементного зерна резко отрицательно сказывается на практических результатах активации.

И если в лабораторных условиях получены впечатляющие результаты по увеличению активности портландцемента путем значительного увеличения его удельной поверхности, это еще вовсе не говорит о возможности использования результатов данных исследований в промышленных масштабах.

Отсутствие лабораторных агрегатов измельчения ударного действия, способных реализовать высокоскоростные режимы измельчения твердых материалов, вынуждает научных работников использовать в изучении возможностей активации портландцемента широко распространенные лабораторные вибромельницы.

Таким образом, становится понятна причина сложившейся в данный момент ситуации. Накопленный богатый опыт получения высокоактивного цемента в лабораторных условиях не находит практического применения именно по причине изначально неверно выбранного способа активации цементного зерна с использованием машин истирающего действия.

Полученные результаты активации портландцемента на лабораторных вибромельницах могут быть воспроизведены в производственных условиях только с применением промышленных шаровых и вибрационных мельниц.

Именно поэтому впечатляющие достижения в деле активации портландцемента, полученные в лабораторных условиях, за редкими исключениями не используются в практике производства бетонных изделий.

И напротив, активация минеральных вяжущих веществ с применением агрегатов измельчения ударного действия, хотя имеет меньшую теоретическую базу, активно используется при массовом производстве строительных материалов в основном автоклавного твердения.

Рассматриваемые особенности активации портландцемента ни в коем случае не говорят о невозможности массового применения метода активации в практике производства бетонных изделий. Напротив, описание некоторых трудностей, в обязательном порядке возникающих при внедрении на действующем производстве новой технологии, позволяет производителю строительных материалов глубже понять сами процессы и явления, оказывающие влияние на практические результаты активации портландцемента.

Использование в практике современного строительства результатов многолетних исследований, посвященных увеличению активности вяжущих веществ, последних достижений научно-технического прогресса в части создания эффективных агрегатов ударного измельчения (дезинтеграции), позволяет по-новому взглянуть на сложившуюся ситуацию в области производства и применения минеральных вяжущих веществ и, в конечном счете, изменить ее.

Нынешний этап развития производства строительных материалов требует ясных рекомендаций и отработанных методик активации портландцемента.

Наибольшую ценность представляют не результаты лабораторных опытов, трудновоспроизводимые в условиях реального производства, а отработанная практика получения высокоактивных вяжущих веществ доступная рядовому производителю строительных материалов.

Широкое распространение технологии активации портландцемента, позволяющее получать высокоактивные быстротвердеющие вяжущие материалы, является объективной необходимостью сегодняшнего дня. Именно активация портландцемента открывает новые возможности рационального использования материальных ресурсов, сокращения сроков строительства, получения строительных материалов нового поколения.

Развиваясь по пути создания компактных линий подготовки минеральных вяжущих веществ, технология активации портландцемента способна в корне изменить структуру организации производства сборного железобетона, мелкоштучных стеновых камней, элементов мощения и благоустройства.

Путь, пройденный иностранными и отечественными производителями сухих строительных смесей, когда практически все используемые компоненты сухих смесей предварительно измельчаются, должен быть пройден и производителями строительных материалов.