Оптимальный гранулометрический состав цементов, выпускаемых при помоле в замкнутом цикле.

На три заданных конкретных вопроса, как я полагаю, нет одно­значных ответов. Однако эти вопросы имеют огромное практическое значение и заслуживают надлежащего обсуждения. Далее рассмотрены некоторые важные аспекты, которые необходимо учитывать в данном контексте.

1. Любой портландцемент представляет собой многофазный сыпучий тонкодис­персный порошок, полученный в результате сложного процесса, включающего в себя высокотемпературную обработку и ряд операций измельчения, поэтому дисперсность продукта нельзя характеризовать исключительно диапазонами размеров частиц. 

Для всех практических целей это лучше всего делать с помощью графического представления, известного как график функции распределения Розина — ​Раммлера — ​Шперлинга — ​Беннета (Rosin, Rammler, Sperling, Bennet, RRSB) (рис. 1). Зависимость RRSB содержит два параметра — ​d₀ и n. Отметим, что, помимо двух этих констант, задающих распределение частиц по размерам (particle size distribution, PSD), производственный процесс невозможно эффективно контролировать без определения различных других (химических и физических) характеристик, включая фазовый состав и параметры микроструктуры.

Рис. 1. графики функции RRSB, построенные по данным для 150 цементов [1]. R - суммарная массовая доля частиц размером меньше d. Интервалы значений угла наклона линий n и значений d₀ приведены для обычных цементов; n - 1,10 и 0,68 для самого узкого и самого широкого PSD соответственно

Универсального способа оптимизации двух параметров, указанных выше, не существует, так как сырье, системы обжига, помольные установки и др. варьируются от завода к заводу. Эти параметры следует оптимизировать исходя из специфичных для каждого конкретного предприятия данных, определяемых на основе результатов многочисленных испытаний цемента. Подчеркнем еще раз, что для правильной характеристики цемента указанные в вопросе 1 диапазоны размеров частиц необходимо рассматривать вместе с их распределением. В случае контроля системы измельчения с шаровой мельницей, работающей в замк­нутом цикле, предпочтительно строить кривую Тромпа по данным перио­дически проводимого на заводе аудита процесса, а не просто ориентироваться на усредненный теоретический размер частиц цемента. Пример распределения частиц тонкодисперсного портландцемента заводского производства по размерам приведен на рис. 2.

Рис. 2. PSD тонкоизмельченного портландцемента

2. Верно то, что на сроки схватывания цементной пасты и проч­ность продуктов твердения влияет тонина помола цемента (которую на заводе обычно определяют методом воздухопроницаемости по Блейну), поскольку реакционная способность частиц цемента при взаимодействии с водой прямо пропорциональна площади их поверхности, растущей с повышением тонины помола. Частица цемента гидратируется от наружных слоев к внутренним, поэтому чем она мельче, тем больше вероятность того, что почти вся ее сердцевина ​​превратится в продукты гидратации. Значительная часть внутренних слоев более крупных частиц будет доступна для участия в реакциях гидратации лишь в более поздние сроки. Из-за этого твердение тонкоизмельченного цемента быс­трее, а начальная прочность выше, чем у более грубодисперсного. Если тонина цемента слишком велика, это приведет к значительной усадке при схватывании. Следовательно, оптимизация PSD цементов всегда связана с некоторым компромиссом. Кроме того, существуют проблемы схватывания цемента, связанные с его фазовым составом, от которого зависит также теплота гидратации. Все эти особенности усложняют оптимизацию размеров частиц цемента. Следует иметь в виду, что схватывание и твердение цемента происходят в определенной последовательности (рис. 3) и имеют разные механизмы и кинетику. Стадии гидратации можно схематически представить в объединенном виде только с помощью кривой сопровождающего этот процесс выделения теплоты, как показано на рис. 3, где обозначены ориентировочные сроки начала и конца схватывания цементной пасты, а также твердение и набор прочности на последующих стадиях. С учетом изложенного выше становится очевидным, что представление об отсутствии вклада чрезвычайно мелких частиц в прочность цемента в возрасте 2 сут неправомерно; на самом деле эти частицы гидратируются быстрее и способствуют развитию прочности.

Рис. 3. Выделение теплоты гидратации во времени [2]

3. Необходимо учитывать, что цемент является обязательным компонентом бетона, но составляет лишь 7—10 % его объе­ма. Велики объемные доли мелкого и крупного заполнителей, минеральных, химических добавок (в том числе суперпластификаторов) и др. Бетоны для различных областей применения разрабатываются соответствующим образом с учетом типа и марки цемента, имеющегося на объекте. Влияющие на долговечность парамет­ры, в том числе морозостойкость, долж­ным образом учитываются при проек­тировании бетонов целевого назначения. Иногда важным фактором может быть более крутая или более пологая кривая PSD, и тогда производители бетона могут указать ее желаемый вариант. Следует иметь в виду, что испытания цемента проводятся в стандартных лабораторных условиях, в основном на растворных образцах, и он может не иметь тех же характеристик, когда находится в составе чрезвычайно сложных систем бетонных материалов, тем более с учетом вероятного воздей­ствия на них окружаю­щей среды. Известно, что между проч­ностью раствора и прочностью бетона с одним и тем же цементом нет должной корреляции, так же как между временем схватывания цемента и удобоукладывае­мостью бетона, приготовленного на его основе. Следовательно, крайне важно различать результаты испытаний цемента на растворных образцах в лабораторных условиях и показатели качества того же цемента, введенного в состав бетона для конкретного применения. Кроме того, важным параметром является тонина помола цемента, но для понимания его гид­ратационного потенциала и правильного подбора состава бетонной смеси этот параметр следует выражать в виде удельной площади поверх­ности или графиков RRSB.

ЛИТЕРАТУРА

1. Chatterjee A.K. Cement production technology: principles and practices. London & Florida: CRC Press, Taylor & Francis Group, 2018. 265 p.

2. Gartner E.M., Young J.F., Damidot D.A., Jawed I. Hydration of Portland cement // Structure and Performance of Cement. Chapter 3 / J. Bensted, P. Barnes (Eds). London: Spon Press, 2002. P. 91.