Вопросы и ответы

Оптимальный гранулометрический состав цементов, выпускаемых при помоле в замкнутом цикле.
1. Каким должен быть «правильный» гранулометрический состав современных цементов, выпускаемых при помоле в замкнутом цикле? Какие доли частиц размерами 0—2, 2—5, 5—10, 10—30 мкм и т. д. можно считать оптимальными?
2. Верно ли, что мелкие частицы (размером до 1 мкм) не вносят вклад в повышение ранней (двухсуточной) прочности цемента и бетона на его основе, поскольку гидратируются при затворении водой мгновенно, образуя каркас, который разрушается еще на стадии первоначального перемешивания бетона в смесителе?
3. Верно ли, что для обеспечения долговечности и морозостойкости бетонов в возрасте более 5 лет цементы обязательно должны содержать условно крупные частицы (размером свыше 60 мкм), так как именно такие частицы гидратируются спустя год и более, что способствует высокой основности бетона в долгосрочной перспективе? Если да, то, по-видимому, необходима не дифференциальная кривая распределения с возможно более узким пиком, а пологая, т. е. цемент должен содержать весь набор частиц — от мелких до крупных (хотя в современных литературных источниках, напротив, указывается, что необходима кривая распределения в форме пика, т. е. цемент должен быть приближен к монодисперсному порошку)?

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.




