Портландцемент. Ударная активация

Рассматриваетсятехнология увеличения активности цемента и снижения его расхода встроительстве.

Вопросы экономии, рациональногоиспользования энергетических и материальных ресурсов, снижения издержекпроизводства в настоящее время приобретают особую актуальность и требуютграмотного решения.

Инновационные технологические схемы,позволяющие максимально полно использовать достижения научно-техническогопрогресса в деле оптимизированного пользования материальными и энергетическимиресурсами в строительстве, являются залогом успеха как отдельных предприятий,так и экономики страны в целом.

Сегодня строительная индустрияявляется одной из крупнейших отраслей народного хозяйства, и проблемы экономииресурсов представлены здесь особенно остро. Следствием сложившейся ситуацииявляются высокое материалопотребление отечественного строительства, его высокаясебестоимость и зачастую низкое качество.

Вместе с тем, существующиеметоды интенсификации производства материалов строительного назначенияпозволяют обеспечить существенный рост объёмов полезных результатов на фонеотносительной стабильности материальных затрат.

Бетонные изделия ижелезобетонные конструкции являются в буквальном смысле основой современногостроительства. Бетон прочно занимает ведущее положение по сравнению с другимистроительными материалами.

Надёжность и долговечностьбетонных и железобетонных конструкций, стойкость к воздействию агрессивныхсред, относительно простая технология производства, возможность регулированияосновных технико-эксплуатационных показателей и физико-механическиххарактеристик, наконец, практически неисчерпаемая сырьевая база дляпроизводства вяжущих материалов и заполнителей — всё это объясняет широкоераспространение бетона и позволяет рассматривать его как основной компоненткапитального строительства не только настоящего, но и будущего.

И всё же, несмотря на многиезамечательные качества и доступность сырьевых компонентов, бетон относится квесьма энергоёмким строительным материалам. При этом наиболее дорогостоящимкомпонентом бетона является цемент. И хотя цемент — это дорогой и дефицитный материал,его перерасход в строительстве поистине огромен. Нехватка качественныхзаполнителей для бетона, несоответствие фактической и заявленной марки цемента,низкая культура производства бетонных изделий, пренебрежительное отношение кправилам подбора состава бетонной смеси, грубые нарушения правилтранспортировки и хранения цемента — все эти факторы самым негативным образомвлияют на качество и себестоимость бетона.

Так, использованиепесчано-гравийных смесей без корректировки фракционного состава вызываетперерасход цемента до 100 кг/м3. Только при таком расходе цементаудаётся получить запроектированную марку бетона по прочности и обеспечитьнужную пластичность бетонной смеси. Только для ускорения набора распалубочнойпрочности бетона на предприятиях ЖБИиК расход цемента увеличивают на 20–25 % отколичества достаточного для получения материала заданной прочности. Низкаяизначальная активность цемента или её катастрофическое снижение в результатенеправильного складирования, небрежного транспортирования и частых перегрузоктакже вызывает его перерасход.

Принимая во внимание, что, нафоне настоятельной необходимости снижения удельного расхода дорогостоящихкомпонентов, современное строительство особенно остро нуждается ввысокопрочных, быстротвердеющих бетонах, становится совершенно очевидно, чтопрактическое воплощение ресурсосберегающих технологий невозможно без проведенияцелого комплекса работ по увеличению активности цемента и снижению его расходав строительстве.

Хорошо известно, что основныесвойства цемента, в том числе его активность и скорость твердения, определяютсяне только химическим и минералогическим составом клинкера, формой и размерамикристаллов алита и белита, наличием тех или иных добавок, но и, в большейстепени, тонкостью помола продукта, его гранулометрическим составом, а такжеформой частичек порошка.

Существует богатыйнаучно-производственный опыт получения высокоактивных, быстротвердеющихцементов путём домола рядового цемента. Большое число исследований посвящённыхданной проблеме было проведено советскими учёными в 50–60 годах XX века. Тогда же был заложенфундамент сегодняшних знаний о теории и практике увеличения полезных свойствминеральных вяжущих веществ. Были исчерпывающе полно изучены особенностипроизводства и применения цементов повышенной активности, разработанырекомендации для их изготовления — с учётом минералогического составацементного клинкера, оптимальных дозировок гипса, необходимой тонкости помола,возможности введения минеральных добавок и целого ряда других параметров.

Вопросами производства ипромышленного применения активированных цементов занимались такие известныесоветские учёные, как Б. Г. Скрамтаев, В. Н. Юнг, С. М. Рояк, Ю. М. Бутт, А. Е.Шейкин, Г. М. Рущук, М. И. Стрелков и многие другие. Несмотря на то, чторезультаты работ отдельных учёных и целых научных школ несколько отличалисьдруг от друга, в обобщённом виде их можно представить следующим образом.Клинкер для производства высокоактивных цементов должен содержать повышенноеколичество быстротвердеющих клинкерных минералов. Оптимальная дозировка гипсазависит от минералогического состава клинкера, тонкости его помола, содержаниястекловидной фазы и т. д. Тонкость помола быстротвердеющих высокоактивныхцементов должна быть выше, чем у рядовых цементов.

На основании теоретическихизысканий и натурных экспериментов были сделаны выводы о том, что увеличениетонкости помола цемента сказывается на его прочности и скорости твердениягораздо сильнее всех остальных рассматриваемых мероприятий. Поэтому для получениявысокоактивного быстротвердеющего цемента необходимо увеличение тонкости помолас обычных 2000–3000 см2/г до 3500–4500 см2/г. Такжеотмечалось, что увеличение удельной поверхности цементного порошка сверх 6000см2/г нецелесообразно. При изменении показателей удельнойповерхности рядового цементного порошка возможно получение цемента марок 600,700 и 700 БТЦ. При этом минералогия и химический состав клинкера остаютсянеизменными.

На основании полученныхрезультатов в короткое время было разработано необходимое технологическоеоборудование средней и малой мощности, предназначенное для домола рядовогоцемента. Началось активное внедрение технологии активации на предприятиях повыпуску бетонных изделий и конструкций. Количество вибропомольных узлов стремительноросло, но спустя короткое время интерес к активации цемента стал постепенноугасать, вплоть до практически полного забвения. Более того, тема изготовлениябыстротвердеющих, высокоактивных вяжущих материалов на заводах ЖБИ, т. е. внепосредственной близости от места изготовления бетона, была забыта настолько,что академическая наука не возвращалась к ней на протяжении несколькихдесятилетий.

Но как могло произойти, чтоперспективнейшее направление, обещающее многомиллионную экономию и кардинальноеулучшение основных характеристик цемента, после того, как были полученывпечатляющие результаты, налажен промышленный выпуск оборудования, запущеныэкспериментальные участки и крупнотоннажные производства, было совершеннозабыто?

Причина этого, казалось бы, парадоксальногофакта на наш взгляд заключается в экономической несостоятельности предлагаемогометода активации, что обусловлено неверно выбранным способом измельченияцементного зерна. Или, иными словами, многочисленные попытки внедренияактивации цемента на местах его использования не привели к желаемымрезультатам, т. к. эффект повышения вяжущих свойств цемента не покрывалрасходов на её осуществление.

Для того чтобы понять, насколькопрактическая эффективность активации цемента зависит от требуемой дисперсностипродукта и выбранного типа помольного механизма, необходимо короткоостановиться на основных способах измельчения твёрдых тел.

Итак, под измельчением твёрдыхтел мы понимаем направленное уменьшение их первоначальных размеров в результатемеханического или иного воздействия. В производстве цемента применяетсяизмельчение или диспергирование (от лат. dispergo— рассеиваю, рассыпаю) твёрдых тел, приводящее к образованию дисперсных системили порошков. Разрушение твёрдых тел может производиться различными способами,наиболее распространённые из которых представлены на рис. 1.

Рис. 1

Обычно в размольных машинах илимельницах разрушение твёрдого тела происходит несколькими способами врезультате комбинированного воздействия, но преобладающим является один или дваспособа. Исходя из физических свойств твёрдого тела выбирается наиболееоптимальный способ его разрушения. Однако помимо физических свойств материалана выбор механизма измельчения, реализующего наиболее оптимальный способразрушения, оказывает влияние исходный размер твёрдого тела и, в большейстепени, требуемый размер частиц продукта измельчения.

Именно требования к дисперсностипродукта имеют определяющее значение при выборе типа помольного оборудования и,соответственно, способа измельчения.

В качестве примера,иллюстрирующего связь наиболее рационального, а значит, и наименееэнергозатратного, способа измельчения с исходным размером материала, можнопривести следующую зависимость. Для среднего и крупного измельчения твёрдых телиспользуется раздавливание, раскалывание, изгиб, реже — удар (дробилкиконусные, щековые, валковые, роторные). В то время как для тонкого измельченияпреимущественно используется истирание и удар, либо комбинация этих двухспособов (шаровые мельницы различного способа побуждения мелющих тел, струйныемельницы, дезинтеграторы). Напрашивается вывод, что при неизменных физическихсвойствах твёрдого тела наиболее оптимальный способ разрушения может меняться взависимости от размера измельчаемой частицы. Если один способ измельченияоправдан при получении частиц относительно большого размера, совершенно неочевидно, что этот же способ окажется эффективным при её дальнейшем разрушении.Напротив, практика использования помольно-дробильного оборудования в различныхобластях производственной деятельности показывает, что для максимальноэффективного измельчения при минимальном расходе энергии с изменением объёмаили линейных размеров частицы необходима и смена самого способа измельчения.

Существует чёткая зависимостьмежду размером частицы и расходом энергии на её разрушение. Измельчение требуетзатрат энергии тем больше, чем выше требуемая степень измельчения. Даннаязависимость приобретает особенную наглядность при работе с высокодисперснымисистемами, к которым относится и цементный порошок.

Все твердые материалыхарактеризуются присущим им сопротивлением разрушению, причём на разныхступенях тонкого измельчения сопротивление разрушению может существенноразличаться. Так, при помоле цемента в шаровой мельнице до удельной поверхности3000–3500 см2/г её прирост практически пропорционален затраченнойработе. Однако при более высоких степенях измельчения дальнейший приростудельной поверхности сопровождается повышенным расходом энергии, эффективностьизмельчения снижается.

Таким образом, с точки зренияоптимального соотношения количества затрачиваемой энергии, способа измельченияи дисперсности получаемого продукта, показатель удельной поверхности 2500–3000см2/г объективно является предпочтительным. Обычно цементный порошокдомалывается до означенной цифры и не более того. Происходит это потому, чтодаже с учётом увеличения активности цемента, повышения его марки дальнейшийпомол с использованием преимущественно истирающего способа измельчения попростуэкономически не выгоден.

В работах по активации цементапутём его домола в основном применяются однокамерные барабанные и вибрационныешаровые мельницы малой и средней мощности. Т. е. для активации цементаиспользуется помольное оборудование, энергоэффективность которого значительноуступает многокамерным барабанным мельницам большой производительности,используемым на цементных заводах. Эксплуатация высокопроизводительногопомольного оборудования, применение воздушных сепараторов и замкнутого циклапроизводства цемента, теоретически обоснованное и подтверждённое многолетнейпрактикой «золотое» соотношение между потенциальными возможностями мельницданного типа, расходом энергии и оптимальной тониной помола позволяют цементнымзаводам выпускать большие объёмы рядового цемента при достаточно высоком уровнерентабельности.

Совершенно иная ситуациянаблюдается при попытках провести активацию цемента с использованиемоднокамерных шаровых или вибрационных мельниц небольшой производительности.Данный класс помольного оборудования в целом характеризуется достаточно низкимкоэффициентом полезного действия. Непосредственно на образование новыхповерхностей затрачивается не более 8–10 % от всей подводимой энергии. Удельнаяпроизводительность (кг/ч) на 1 кВт эффективной мощности многокамерных шаровыхмельниц, эксплуатируемых на цементных заводах, существенно выше, чем упомольного оборудования малой мощности.

Таким образом, становитсяочевидным несоответствие между поставленной задачей и средствами для еёрешения. Высокопроизводительное помольное оборудование используется дляполучения больших объемов цемента средней активности, когда затраты энергиипропорциональны увеличению удельной поверхности порошка. В то же время, домолцемента для повышения его активности с применением измельчительного оборудования,характеризующегося крайне низким КПД, предполагает увеличение удельнойповерхности порошка сверх энергетического оптимума для данного способаизмельчения.

Потенциальные возможностиэнергоэффективного измельчения цементного зерна методом истирания оказываютсяисчерпаны уже на рубеже удельной поверхности в 3000 см2/г. Получениецементного порошка большей дисперсности с использованием однокамерных шаровыхмельниц открытого цикла в условиях действующих предприятий ЖБИ попростуэкономически не выгодно. И бесплодные, хотя и многочисленные, попытки внедренияданной технологии в производство бетона лишний раз подтверждают это заключение.

Именно из-за несоответствиямежду результатами активации и затратами на её осуществление перспективноенаправление было закрыто на десятки лет. Даже сегодня «классическое»бетоноведение с большой настороженностью относится к вопросу увеличенияактивности цемента на местах его использования. Так много надежд было связаннос «построечной» активацией цемента, и чувство разочарования от её неудачноговнедрения ощущается до сих пор.

Но неверной была вовсе не самаидея активации, а её исполнение, аппаратное обеспечение и т. д. Результатыисследований высокоактивных цементов, производственная практика изготовлениябетона с использованием быстротвердеющего цемента, наконец, сотни научныхработ, авторами которых являются наиболее авторитетные представителиотечественной науки, доказывают перспективность и даже насущную необходимостьпродолжения работ в данном направлении — естественно с учётом прошлого опыта иновых знаний.

Так что же встало на путиперспективной технологии, какие проблемы не удалось решить инженерам итехнологам, занятым в работах по активации цемента?

Первая проблема состоит в том,что однокамерные шаровые мельницы, используемые в работах по активации цемента,по основным экономическим, эксплуатационным и техническим показателямпроигрывают оборудованию аналогичного назначения, но большей мощности.

Для получения высокоактивногобыстротвердеющего цемента необходимо, в частности, увеличить тонину помоларядового цемента. Но используемые в работах по активации шаровые мельницы малоймощности серьёзно проигрывали по части себестоимости помола измельчительномуоборудованию, эксплуатируемому на цементных заводах. Попытки увеличить показателиудельной поверхности цементного порошка оборачиваются снижением и без тогонебольшой производительности маломощных мельниц-активаторов и вызываюткатастрофический расход энергии на получение продукта заданной дисперсности.Казалось бы, разорвать замкнутый круг невозможно. С одной стороны дисперсностьпродукта требуется б?льшая, чем у рядового цемента, с другой —мельницы-активаторы в принципе не могут соперничать с высокопроизводительнымоборудованием цементных заводов в плане себестоимости помола. Но выход изсоздавшейся ситуации всё же есть. Если способ истирающего измельчения,реализуемого шаровыми мельницами, по целому ряду причин не подходит дляполучения большей тонины помола цементного порошка, то нужно применить другойспособ измельчения!

Сырьевые материалы, используемыепри изготовлении цемента, характеризуются высокой прочностью на сжатие иотносительно малой прочностью на изгиб. Прочность цементного зерна на сжатие в6–12 раз больше его же прочности на изгиб, растяжение, сдвиг. В шаровых мельницахзёрна цементного порошка подвергаются, преимущественно, действию сжимающих силс двух сторон, в результате которого в зёрнах возникают напряжения, приводящиек разрыву с образованием более мелких частиц. Такой способ измельченияреализуется в шаровых мельницах различного способа побуждения мелющих тел. Доопределённой тонины помола данный способ вполне оправдан, т. к. площадьновообразованных поверхностей прямо пропорциональна затраченной работе. Но сувеличением удельной поверхности порошка расход энергии возрастает, а приростудельной поверхности замедляется. После достижения определённой тонины помоласпособ измельчения цементного зерна методом сжатия — истирания перестаёт бытьоптимальным.

С увеличением требований ктонине помола цементного порошка существенное уменьшение затрат энергии могутдать лишь те способы, при которых материалы измельчались бы под влиянием прямыхсдвигающих, разрывающих воздействий на них, а не в результате первоначальносжимающих сил. В струйных мельницах и дезинтеграторах цементные зёрнаизмельчаются почти исключительно путём свободного удара о помольные органы и(или) взаимного соударение в воздушном потоке при движении. Совокупность такихвоздействий вызывает быстрое разрушение цементных зёрен по местам структурных дефектови позволяет получать продукт, характеризуемый оптимальным гранулометрическимсоставом и осколочной формой частиц.

Принимая во внимание, чтонаиболее перспективным направлением снижения материальных и энергетическихзатрат при активации цемента является понижение энергоёмкости самого процессаизмельчения, использование агрегатов свободного удара — дезинтеграторов иструйных мельниц может рассматриваться как практически безальтернативный способповышения вяжущих свойств и снижения расхода цемента в производстве изделий избетона. Применение помольного оборудования ударного действия позволяет получатьвяжущие вещества и наполнители при минимальных затратах.

Проблема вторая заключается всам?й необходимости более тонкого помола цементного порошка. Тонкий помолматериала является наиболее энергозатратным, а значит, и дорогостоящимпеределом в производстве цемента. До 70 % затрат приходится именно на помол. Всебестоимости активации помол также является основной статьёй расходов.

Но так ли необходимы высокие показателиудельной поверхности цемента? Имеются ли способы получения высокоактивногоцемента без существенного увеличения тонины помола? Такие способы существуют,они хорошо известны и активно применяются уже не один десяток лет.

Выше мы отмечали, что, по даннымисследований, повышение тонкости помола — это действенный способ увеличенияпрочности цемента и скорости его твердения. Но увеличение удельной поверхностицементного порошка, как и его активность, нельзя рассматривать в отрыве отгранулометрических показателей высокодисперсной системы, которой и являетсяцемент.

Т. к. различные фракциицементного порошка по разному влияют на прочность цементного камня и наскорость его твердения, целый ряд исследователей рекомендуют характеризоватьактивность цемента не только по удельной поверхности порошка, но и по зерновомусоставу. Многочисленные исследования, проводившиеся как в нашей стране, так иза рубежом, позволили установить зависимость между количеством зёренопределённого размера, прочностью и скоростью твердения цемента. На основанииработ А. Н. Иванова-Городова было установлено, что равномерное и быстроетвердение цемента достигается при следующем зерновом составе: зёрна мельче 5мкм — не более 20 %, зёрна 5–20 мкм — около 40–45 %, зёрна 20–40 мкм — 20–25 %,зёрна крупнее 40 мкм — 15–20 %. Правильно сформированный гранулометрическийсостав позволяет получать высокоактивный быстротвердеющий цемент при абсолютнорядовых показателях его удельной поверхности.

Изменение дисперсностицементного порошка при его помоле происходит на фоне изменения и егогранулометрического состава. Однако соотношение различных фракций, близкое коптимальному при помоле в шаровой мельнице, достигается при полученииотносительно высоких показателей удельной поверхности. В то время как прииспользовании дезинтеграторов, струйных мельниц и других агрегатов ударногоизмельчения оптимизация гранулометрических показателей происходит безсущественного изменения дисперсности продукта.

На основании многочисленныхисследований было установлено, что гранулометрический состав продуктаизмельчения зависит от типа помольного механизма. Готовый продукт, полученный сиспользованием шаровых мельниц, характеризуется широким зерновым составом, аего частицы имеют окатанную форму. Разнообразный зерновой состав представленкак очень тонкими частицами (>5 мкм), так и относительно крупными (>60мкм), содержание которых, даже в высокомарочных цементах, достаточно высоко. Вто же время для ударного измельчения с применением дезинтеграторов и струйныхмельниц характерно получение материала узкой гранулометрии, когда зерновойсостав цементного порошка близок к оптимальному.

Возможности гранулометрического«обогащения» цементного порошка наглядно демонстрирует представленная таблица.Повышение активности цемента после дезинтеграторного помола достигается приболее низких показателях удельной поверхности по сравнению с материалом,измельченным на шаровой мельнице. Таким образом, тонкий помол с получениемцементного порошка высокой дисперсности как наиболее энергонапряжённый процессактивации может быть успешно заменён корректировкой гранулометрическогосостава.

Наименование материала	Удельная поверхность, см2/г	Содержание, %, фракций, мкм								Предел прочности на сжатие через 28 сут., МПа
		?5	?10	?20	?30	?40	?50	?60	более60
Исходный цемент	2250	11,07	8,25	14,64	17,97	16,66	13,50	9,36	8,55	39,5
Активированный цемент, домолотый на шаровой мельнице	3200	15,32	7,11	12,54	20,51	19,62	15,03	6,52	3,35	50,9
Активированный цемент, домолотый на измельчителе-дезинтеграторе	2800	12,84	15,22	29,67	24,13	10,58	5,37	2,19	–	51,3

Таблица 1. Характеристики цементов различного способа измельчения

Ещё одним действенным способомувеличения активности цемента без существенного изменения его дисперсностиявляется изменение формы цементного зерна при его помоле. В зависимости от типапомольного механизма существенно изменяется форма цементного зерна. Так, формачастиц цемента осколочной «щебёночной» формы с острыми углами и сильно развитойконфигурацией взаимодействует с водой более интенсивно, чем частицы цементаокругленной, галькообразной формы.

При равных показателях удельнойповерхности, равном содержании частиц цемента размерами 0–20 мкм, одинаковомхимическом составе прочность цементного камня, состоящего из частиц осколочнойформы, будет выше, нежели прочность цементного камня, состоящего из частицокруглой формы. Соответственно и скорость твердения портландцемента сосколочной формой частиц выше, чем с округленной. Исследования Ю. И. Дешко, В.И. Акунова, В. Л. Панкратова и др. (НИИЦемент) показали, что при измельчениицементного клинкера в струйной мельнице получаются цементы, активность которыхна 7,5–15,0 МПа выше активности цементов той же тонкости помола, ноизмельчённых в шаровой мельнице.

Существующая зависимость формыцементного зерна от типа помольного агрегата позволяет сделать выводы онаиболее предпочтительном способе разрушения, обеспечивающем получение частицосколочной формы.

Таким образом, ударноеизмельчение цементного порошка позволяет существенно повысить его физико-химическуюактивность наиболее рациональным способом, в большей мере за счёт корректировкигранулометрического состава и изменения формы зерна.

Сегодня, когда существующиемодели помольного оборудования позволяют реализовать наиболее энергопродуктивныеспособы измельчения, идеи активации цемента на предприятиях ЖБИ получают второерождение. Ударное дезинтеграторное измельчение, оптимизация гранулометрическогосостава цементного порошка, позитивные изменения формы цементного зернаявляются инструментами экономически оправданной активации. Объединениерезультатов фундаментальных исследований 50–60 годов и современной концепциирационального использования энергоресурсов вполне возможно, если решить двеосновные проблемы, которые и явились препятствием к реализации технологииактивации рядового цемента на местах его использования.

Литература:

1. Бутт Ю. М. Быстротвердеющийпортландцемент: Сборник трудов по химии и технологии силикатов. — М., 1957.

2. Волженский А. В. Минеральныевяжущие вещества: Учебник для вузов. — Стройиздат, 1986.

3. ВолженскийА. В., Попов Л. Н. Смешанные портландцементы повторного помола и бетонына их основе. — Государственное издательство литературы по строительству,архитектуре и строительным материалам, 1961.

4. Хинт И. А.Основы производства силикальцитных изделий. — Госстройиздат, 1962.

Cтатья предоставлена журналом «Популярное бетоноведение»

Журнал «Популярное Бетоноведение»— всегда свежая ипрофессиональная информация о производстве и применению бетонов идругих строительных материалов, добавках, оборудовании и многом другом.

Издание выходит при поддержке Научно-Техническогообщества строителей Санкт-Петербурга. Распространяется в России, СНГ,за рубежом. Журнал рассчитан на широкий круг читателей— строителей,технологов, проектировщиков.

http://www.popcon.ru/

info@popcon.ru

Быстрая подписка на журнал: (812) 541-91-45, 541-91-46