Тонкость помола

Тонкость  помола [4]

     С увеличением тонкости помола прочность  цемента возрастает. Средний размер зерен «портландцемента, выпускаемого отечественными заводами, составляет примерно 40 мкм. Толщина гидратации зерен через 6... 12 мес твердения  обычно не превышает 10...15 мкм. Таким образом, при обычном помоле портландцемента 30...40% клинкерной части его не участвует в твердении и формировании структуры камня. С увеличением тонкости помола цемента увеличивается степень гидратации цемента, возрастает содержание клеящих веществ — гидратов минералов — и повышается прочность цементного камня. Заводские цементы должны иметь тонкость помола, характеризуемую остатком на сите № 008 (размер ячейки в свету 0,08 мм) не более 15%. Обычно она равна 8...12%.

     В соответствии с требованием ГОСТ, тонкость помола должна быть такой, чтобы  через сито № 008 проходило не менее 85% от всей навески портландцемента. Удельная поверхность обычного портландцемента  находится в пределах 2000—3000 см²/г и 3000—5000 см²/г — быстротвердеющих и высокопрочных цементов.

     В настоящее время установлено, что  измельчение цемента до удельной поверхности более чем 6000 см²/г нерационально, так как при сверхтонком измельчении может произойти уменьшение прочности цементного камня вследствие перекристаллизации гидратных новообразований.

     Тонкость  помола цемента характеризуется  также величиной удельной поверхности (м²/кг), суммарной поверхностью зёрен (м²) в 1 кг цемента. Удельная поверхность заводских цементов составляет 250...300 м²/кг. В ряде случаев с целью повышения активности заводского цемента и для получения быстротвердеющего цемента тонкость помола повышают. Условно считают, что прирост удельной поверхности цемента на каждые 100 м²/кг повышает его активность на 20...25%.

     Увеличение  удельной поверхности цемента более 300... 350 м²/кг связано со значительным снижением производительности мельниц; кроме того, такие цементы увеличивают водопотребность, растет тепловыделение, возрастают усадочные деформации. Водопотребность цемента определяется количеством воды (% от массы цемента), необходимым для получения теста нормальной густоты. Водопотребность портландцемента 24...28%, при введении активных минеральных добавок осадочного происхождения (диатомита, трепела, опоки) водопотребность повышается до 32...37%.

  Влияние влажности и температуры среды. Твердение цементного камня и повышение его прочности могут продолжаться только при наличии в нем воды, так как твердение есть в первую очередь процесс гидратации.

Как происходит активация  портландцемента? [5, 6, 7]

  Хорошо известно, что основные свойства портландцемента, в том числе, активность, скорость твердения определяются не только химическим и минералогическим составом клинкера, формой и размерами кристаллов алита и белита, наличием тех или иных добавок, но и, в большой степени, тонкостью помола продукта, его гранулометрическим составом и формой частичек порошка.

       Повышение прочности портландцемента  в первые сроки твердения в  значительной степени обуславливается  именно тонкостью помола.

       В настоящее время обычные  портландцементы измельчают до  остатка на сите № 008 5-8 % (по  массе), цементы же быстротвердеющие  — до остатка 2-4 % и меньше. При  этом удельная поверхность соответственно  достигает 2500-3000 и 3500-4500 см²/г и более.

  Таким образом, с увеличением тонкости помола портландцемента повышается его прочность. Увеличение прочности цементного камня открывает широкие возможности снижения расхода портландцемента при производстве бетонных изделий нормируемых показателей прочности.

     Комплекс  мероприятий, позволяющих более  полно использовать массу цементных  частиц в деле склеивания отдельных  зерен заполнителя в единый монолит - искусственный камнеподобный материал - называется активацией портландцемента.

     Однако  было бы неверно рассматривать процесс  активации портландцемента исключительно  с позиции увеличения дисперсности цементного порошка. Помимо тонкости помола, а соответственно площади контактной поверхности цементного зерна, на его  активность также оказывает влияние  и сама структура этой поверхности.

  Под воздействием механического нагружения цементных зерен возникают физические дефекты в подрешетках и решетках минералов, что значительно ускоряет элементарные взаимодействия поверхностного слоя вяжущего с водой. Происходит сокращение времени набора портландцементом марочной прочности, более полно используется потенциальная энергия вяжущего вещества.

Какое влияние оказывает  размер зерен на прочность  и скорость твердения  портландцемента? [5, 6, 7]

     Цементный порошок в основном состоит из зерен размером от 5-10 до 30-40 мкм.

  Тонкость помола портландцемента характеризуют обычно остатками на ситах с размером ячеек в свету 02; 008, а иногда и 006 мм, а также удельной поверхностью порошка, определяемой на приборах различной конструкции. В этих приборах при точно установленных условиях определяют воздухопроницаемость порошка, а затем по показателям проницаемости и пористости рассчитывают удельную поверхность.

     Также на основные характеристики ПЦ оказывает влияние и гранулометрический состав цементного зерна.

  Известно, что разные фракции цементного порошка по-разному влияют как на прочность цементного камня, так и на скорость его твердения. В связи с этим ряд исследователей рекомендует характеризовать активность цемента не только по удельной поверхности порошка, но и по зерновому составу.

  Так, А. Н. Иванов-Городов полагает, что равномерное и быстрое твердение цемента достигается при следующих зерновых составах: зерен мельче 5 мкм — не более 20 %, зерен размерами 5-20 мкм — около 40-45 %, зерен размерами 20-40 мкм — 20-25 %, а зерен крупнее 40 мкм — 15-20 %.

  Многочисленные исследования, проводившиеся как в нашей стране, так и за рубежом, позволили выявить следующую зависимость между количеством зерен определенного размера и скоростью твердения портландцемента.

  Так, частицы размерами 0-5 мкм оказывают решающее влияние на рост прочности цементного камня в первые часы твердения. Именно от частиц этого размера напрямую зависят сроки начального схватывания портландцемента.

       Частицы размером 5-10 мкм влияют  на прочность цементного камня  в 3-7 суточном возрасте, а фракция  10-20 мкм определяет прочность  в 28 суточном и более позднем  возрасте.

  Установлено, что, измельчая один и тот же портландцементный клинкер и соответственно изменяя долю частиц размером 5-20 мкм в общей массе цементного порошка, можно получать портландцемент марок 600, 700 и 700 ОБТЦ (аббревиатура ОБТЦ расшифровывается как особо быстро твердеющий цемент).

  Влияние зернового состава и удельной поверхности на активность (прочность) портландцемента приведена в таблице № 1.

Таблица № 1.

     Из  представленной таблицы видно, что  путем изменения массовой доли частиц определенного размера возможно получение портландцемента высокой  марочной прочности при совершенно рядовых показателях удельной поверхности (для справки: удельная поверхность  шлакопортландцемента М 400 производства «ОАО Липецкий цементный завод» составляет 2687 см²/г).

       Принимая во внимание, что помол  цементного клинкера с получением  тонкодисперсного порошка весьма  дорогостоящая операция (мощность  приводного двигателя шаровой  мельницы, используемой в производстве  цемента, производительностью 50 т/ч достигает 1000 кВт), именно корректировка  гранулометрического состава цементного  порошка, несомненно, является наиболее  экономически выгодным способом  повышения полезных свойств портландцемента  при его активации.

Какое влияние оказывает  форма зерен на прочность и скорость твердения портландцемента? [5, 6, 7]

     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).

Основные  схемы помола, используемые в производстве цемента [5, 6, 7]

     Измельчение цементного клинкера на современных  цементных заводах производится преимущественно с использованием шаровых мельниц.

  В основном используются следующие технологические схемы: помол клинкера по открытому циклу и помол в замкнутом цикле с последующей классификацией получаемого материала.

       Технологическая схема по открытому  циклу объективно считается устаревшей, хотя на отечественных цементных  заводах еще используется достаточно  широко.