Вопросы и ответы
Подвижность цементов
Вопрос: Существуют ли нормируемые показатели, характеризующие подвижность (текучесть) цементов? Если нет, то известны ли методики определения таких показателей, в том числе регламентируемые стандартами или иными нормативно-техническими документами? В случае отсутствия таких методик какой подход можно рекомендовать для их разработки: какие параметры следовало бы измерять и какие их значения считать допустимыми?
Эти вопросы связаны с тем, что иногда приходится иметь дело с цементами, обладающими повышенной склонностью к слипанию с образованием агломератов и зависанию при выгрузке из вагонов, даже на крупной решетке.
Такая реологическая характеристика портландцемента, как текучесть, не входит в перечень регламентируемых параметров по ГОСТ 31108—2003 и ГОСТ 31108—2016.
Для оценки реологических характеристик сыпучих материалов существуют несколько методов: определение прочности на разрыв слоя, времени истечения из воронки, напряжения при сдавливании в цилиндре [1, 2].
Метод испытания ASTM C 1565 Standard Test Method for Determination of PACK-Set Index of Portland Cement [3] позволяет определять предрасположенность цементов к уплотнению после силосного хранения или транспортировки. Уплотнение цемента приводит к тому, что его истечение становится затрудненным, если к нему не приложены механические усилия. Сопоставление результатов определения текучести цементов с данными, полученными непосредственно после их производства в промышленных условиях, дает возможность прогнозировать и предупреждать проблемы с его выгрузкой. Отдельные виды цемента могут иметь различную предрасположенность к уплотнению. При этом применить данные, полученные на свежемолотом цементе, к ранее произведенному цементу проблематично без специальной обработки результатов. Также уплотнение не следует путать со схватыванием цемента в силосах, которое является результатом поверхностной гидратации цемента, обусловленной наличием адсорбированной влаги; в последнем случае необходимо провести еще дополнительные испытания. Таким образом, корректное применение метода [3] ограничено.
Известно [4, 5], что увеличение дисперсности цемента приводит к самопроизвольному агрегированию мельчайших частиц материала, которое сопровождается повышением их поверхностной свободной энергии из-за трибоэлектризации, являющейся следствием трения частиц размалываемого материала о мелющие тела, броневые плиты, друг о друга; разрыва ионных и ионно-ковалентных связей кристаллов; повышения температуры в мельнице вследствие превращения механической энергии в тепловую.
Наиболее мелкие частицы в мельнице электрически заряжены. При помоле различных материалов одна их часть приобретает положительный заряд, другая — отрицательный. Частицы с разными зарядами притягиваются и образуют агломераты.
Атомы и атомные группы на поверхности твердых тел не имеют полностью насыщенных валентностей и образуют неоднородные поля.
Отдельные частицы адсорбируют на поверхности воздушную пленку. Первоначально она препятствует объединению частиц; однако если по каким-либо причинам пленка исчезает, то частицы быстро объединяются.
Согласно теории, значения импульсов мелющих тел при соударении таковы, что размалываемый материал запрессовывается в их шероховатую поверхность.
В общем, образование оболочек на мелющих телах нельзя объяснить какой-либо одной теорией. На налипание влияет ряд факторов:
1) оно усиливается при повышенной температуре;
2) при совместном помоле с клинкером гипс уменьшает налипание на мелющие тела; но обезвоженный гипс, наоборот, способствует образованию оболочек;
3) лежалый клинкер более склонен к образованию оболочек на шарах, чем свежеобожженный, однако обычно размалывается легче последнего благодаря гашению свободного оксида кальция;
4) шероховатая поверхность шаров накапливает оболочки, а гладкая поверхность свободна от них.
Наиболее эффективный способ уменьшения поверхностной энергии тонкодисперсного материала — ввод при его измельчении поверхностно-активных веществ (ПАВ), которые адсорбируются на поверхности размалываемого материала [5]. Молекулы ПАВ, мигрируя в глубь микротрещин зоны предразрушения, создают двухмерное давление, при этом за счет растягивающего усилия совершается работа деформации («расклинивающий» эффект Ребиндера). Усилие растяжения микротрещин создается вследствие того, что адсорбированные молекулы ПАВ стремятся расположиться вдоль силовых линий электрического поля, образованного зарядами поверхностных кристаллов. Силовые линии такого поля в основном перпендикулярны поверхности материала, поэтому когда ширина микротрещин не позволяет молекулам ПАВ принять перпендикулярную его поверхности ориентацию, силы, стремящиеся придать молекуле устойчивое положение, оказывают растягивающее действие [4—6].
В работе [7] на основе метода [3] разработана методика количественного определения текучести цемента, заключающаяся в просеивании навески цемента через сито № 05 на встряхивающем столике Хагерманна. Показано, что бездобавочные цементы лабораторного помола, различающиеся по минералогическому составу, обладают различной текучестью. При встряхивании сквозь сито проходит 34—40 % материала. Выявлен положительный эффект применения ПАВ в составе комплексных технологических добавок, в присутствии которых текучесть цемента превысила 50 %, что на 2—20 % больше, чем для контрольного образца. Отметим, что количество прошедшего сквозь сито материала зависит от особенностей цемента каждого завода.
Большинство интенсификаторов помола представляют собой вещества, которые сильно адсорбируются поверхностью размалываемых частиц и, насыщая избыточный потенциал поверхности, предотвращают притяжение других частиц и образование агломератов [5, 6].
Из результатов работы [8] следует, что дозировка ПАВ должна подбираться индивидуально для каждой конкретной ситуации, так как при чрезмерном увеличении содержания добавки текучесть снижается.
Таким образом, согласно литературным данным [4—6, 8, 9], к снижению текучести цемента приводит следующее:
1) рост его удельной поверхности вследствие:
— широкого гранулометрического состава;
— преобладания мелкодисперсных частиц;
— увеличения числа частиц угловатой формы;
2) повышение влажности транспортного и аэрирующего воздуха;
3) увеличение температуры воздуха;
4) образование растворимого ангидрита СaSO4 при высокой температуре помола цемента;
5) уменьшение содержания СаОсв до значений менее 0,5 % (повышение активности клинкера).
Проблемы низкой текучести (подвижности) цемента, приводящие к зависанию его в силосах, затрудняющие разгрузку вагонов и негативно влияющие на работу технологического оборудования, решаются различными путями. Например, преодолеть плохую текучесть цемента можно, установив осушители транспортирующего воздуха; несколько уменьшив долю мелкой фракции в цементе и, следовательно, прочность цементного камня; применяя ПАВ.
Правильное определение параметров текучести очень важно для расчетов производственных процессов обработки порошка, его транспортировки, упаковки и хранения.
ЛИТЕРАТУРА
1. Урьев Н.Б. Высококонцентрированные дисперсные системы. М. : Химия, 1980. 320 с.
2. Урьев, Н.Б. Физико-химические основы технологии дисперсных систем и материалов. М.: Химия, 1988. 256 с.
3. ASTM C1565 Standard Test Method for Determination of Pack-Set-Index of Portland Cement.
4. Дуда В. Цемент. Электрооборудование, автоматизация, хранение, транспортирование. М.: Стройиздат, 1987. 241 с.
5. Крыхтин Г.С., Кузнецов Л.Н. Интенсификация работы мельницы. Новосибирск: Наука, 1993. 240 с.
6. Ребиндер П.А. Поверхностные явления в дисперсных системах. Коллоидная химия. Избранные труды. М.: Наука, 1978. – 368 с.
7. Черкасов Р.А. Интенсификация помола цемента с применением комплексных технологических добавок: дис. ... канд. техн. наук. Белгород, 2015. 232 с.
8. Классен В.К., Тимошенко Т.И., Смирных В.В. Способы повышения текучести цемента // Эффективные строительные композиты. Науч.-практ. конф. к 85-летию акад. РААСН Ю.М. Баженова. Белгород, 2—3 апреля 2015 г. Белгород, 2015.
9. Михеев М.А., Михеева И.М. Основы теплопередачи. Изд. 2-е. М.: «Энергия», 1977. 344 с.