ИЗМЕЛЬЧЕНИЕ МАТЕРИАЛОВ В ЦЕМЕНТНОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ

ОСНОВНЫЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ ПРОЦЕССА ТОНКОГО ИЗМЕЛЬЧЕНИЯ

Во многих отраслях промышленности в процессе производ­ства большие количества твердых материалов перерабатывают­ся в тонкодисперсный порошок. Для интенсификации процессов производства и увеличения скорости химических реакций в ря­де случаев необходимо. повышать удельную поверхность мате­риалов путем их измельчения. При этом наряду с совершенст­вованием и улучшением существующих производственных про­цессов возникает возможность получения качественно новых свойств, которые невозможны без тонкого измельчения.

В цементном производстве тонкому измельчению подверга­ются сырьевые материалы, твердое топливо, цементный клинкер и различные добавки.

Степень дисперсности размолотых материалов характеризу­ется тонкостью помола, определяемой ситовым анализом или удельной поверхностью и зерновым составом.

Ситовой анализ применяют для определения тонкости помо­ла порошкообразных материалов или шлама при текущем конт­роле производства и различных исследованиях. Для просеива­ния употребляют стандартные металлические сита с квадратны­ми отверстиями размерами 0,21 мм и 0,08 мм. Тонкость помола определяется по весу остатка на контрольном сите, выраженно­му в процентах от общего веса просеиваемой пробы. При таком определении тонкости помола не удается получить представле­ния о работе измельчения. Остаток на сите указывает лишь на количество части порошка, которая по своим размерам больше отверстия ячейки сита. По ситовому анализу нельзя установить фракционный состав зерен, прошедших через контрольное си­то. Пределы тонкости помола, выявляемые по ситовому анали­зу, недостаточны для характеристики современных цементев. Такой вид анализа в настоящее время во многих стандартах заменяется или дополняется определением удельной поверх­ности. Для этой цели применяются поверхностемеры и турби - диметры. В некоторых странах испытание тонкости помола во - обше не предусмотрено стандартами, но это не означает, что при текущем контроле производства. не пользуются каким-либо методом определения тонкости помола измельченного продукта.

Исследованиями установлено, что прочность цемента в ран­ние сроки твердения пропорциональна величине удельной по­верхности. Однако на практике бывают значительные расхож­дения в прочности цементов одинакового минералогического состава, размолотых до одной и той же удельной поверхности. Исследования [32, 33, 34] показали, что для более полной ха­рактеристики цемента необходимо учитывать не только удель­ную поверхность, но и зерновой состав. Зерновой состав или гранулометрия размолотого материала является особенно важ­ным показателем, который дает представление о рациональной работе, затрачиваемой на измельчение.

Развитие скоростного строительства предъявляет новые тре­бования к свойствам и качеству цемента. Во многих случаях темп выполнения строительных работ вызывает необходимость применения специальных быстротвердеющих цементов. Потреб­ность в таких цементах особенно ощущается при изготовлении изделий с предварительно напряженной арматурой, где требу­ются высокие прочности на сжатие в. ранние сроки твердения и при изготовлении железобетонных изделий.

Производство высокопрочных и быстротвердеющих цемен­тов связано с более тонким их измельчением до удельной по­верхности 3500—4000 см2/г, а в отдельных случаях и 5000 см21г. Это обеспечивает лучшее использование химической потенци­альной энергии клинкера и экономию цемента.

Применение в строительстве высокопрочных цементов по­зволяет уменьшить нормы расхода цемента на единицу объема бетона. Повышение активности цемента на одну марку за счет более тонкого его измельчения равносильно увеличению объе­ма производства на 15%.

Повышение тонкости измельчения материала обычно приво­дит к значительному снижению производительности мельниц. Это обстоятельство вызывает. необходимость разработки наибо­лее рациональных и экономичных схем помола.

При производстве цемента необходима такая схема помола, которая дает возможность получить. полидисперсный продукт измельчения. При помоле же цементного сырья и угля для вра­щающихся печей желательно получить продукт, однородный по зерновому составу.

Получить цемент высокого качества можно лишь при соот­ветствующей подготовке сырьевых материалов. Тонкое измель­чение основных компонентов сырьевой смеси определяет каче­ство. клинкера.

В этой связи представляют интерес данные Хендрикса [35], указывающие на изменение спекаемости сырьевых материалов однородного химического состава при различной степени нз - мельчения.

Практика показывает, что при обжиге крупные частицы кремнезема и кальцита не успевают прореагировать полностью в условиях заводского обжига. Как показывает опыт [36], в сырьевой смеси с коэффициентом насыщения известью (КН), равным 0,95, не должно содержаться >0,5% частиц кремнезема размером свыше 200 мк и больше 1% частиц рамером от 90 до 200 мк. Однако при более низком КН, равном 0,89. количест во частиц указанных размеров может быть двое больше. При­сутствие в смеси до 5% чистого кальцита размером свыше 150 мк не оказывает серьезного влияния на ее спекаемость. При наличии загрязненных кремнистых известняков крупных ча­стиц в смесях может содержаться больше.

На спекаемость сырьевой смеси мало влияют небольшие из­менения в зерновом составе мелких фракций. Однако чтобы обеспечить практически достаточно хорошую спекаемость, не­обходимо наличие в сырьевой смеси около 35% мелких частиц величиной до 15 мк.

Для получения цемента высокого качества не всегда нужно стремиться к очень тонкому измельчению. Исследованиями ус­тановлено, что соответствующим подбором рационального зер­нового состава портландцемента можно значительно повысить активность и улучшить ряд других свойств цементов.

Увеличение удельной поверхности цемента дает положитель­ный эффект только до определенного предела, выше которого этот процесс уже не сопровождается повышением прочности, а иногда приводит к ее снижению.

Снижение прочности цемента при увеличении удельной по­верхности сверх определенной оптимальной ветичины объясня­ется тем, что более тонкий помол наряду с ускорением процес­са твердения вызывает повышение водопотребности цемента.

От крупности зерен в цементе в значительной мере зависят его свойства. Так, установлено, что наибольшей прочностью обладают цементы, которые наряду с мелкими фракциями со­держат некоторое количество относитетьно более крупных час­тиц. Роль отдельных фракций необходимо рассматривать в све­те теории твердения, по которой схватывание и твердение порт­ландцемента происходят вследствие уплотнения масс геля за счет «внутреннего» отсасывания. Значительные массы геля об­разуются из зерен самых мелких фракций размером менее 20 мк, которые гидратируются полностью в сравнительно ко­роткие сроки. По данным Ю. М. Бутта [37], зерна размером ме­нее 5 мк гидратируются в течение двух-трех недель, а фракции размером 5—20 мк через один-два месяца. Фракция с зернами 20—40 мк частично служит для образования геля, но основное ее назначение уплотнять гель путем отсасывания из него воды, необходимой для продолжения гидратации этих зерен в более
поздние сроки. Фракция размером 40—60 мк также участвует в уплотнении геля путем «внутреннего» отсасывания, но зерна фракции частично остаются негидратированными. Зерна 60— 100 мк мало гидратируются при твердении, придавая структуре затвердевшего цементного теста характер микробетона; более крупные зерна имеют то же назначение, что и фракции 60— 100 мк, и подвергаются лишь поверхностной гидратации.

Согласно исследованиям Б. Беке [38], в процессе роста прочности цемента основную роль играет фракция зерен раз­мером от 3 до 30 мк. Фракция размером 3 мк способствует рос­ту прочности лишь в ранние сроки твердения, но прочность ее в длительные сроки твердения сравнительно невелика. Фракция размером 60 мк почти не влияет на прочность бетона.

Венюа [39] также считает, что величина прочности цемента на сжатие через 1—2 суток обусловлена наличием зерен менее 5—7 мк, через 7 суток — наличием зерен менее 20—25 мк, а через 28 суток — наличием зерен менее 25—30 мк. Зерна более 40 мк способствуют повышению прочности только через несколько лет, так как очень медленно гидратируются. Что же касается прочности на растяжение, то по результатам исследований М. Венюа зерновой состав в этом случае имеет меньшее значение. Прочность через одни сутки зависит от на­личия зерен менее 7—9 мк, через двое — от .наличия зерен ме­нее 15—25 мк, через семь суток — от наличия зерен 25—50 мк. На конечную же прочность на растяжение зерновой состав не влияет. Другие свойства цемента, по данным того же исследо­вателя, в зависимости от зернового состава изменяются следу­ющим образом:

1) самые мелкие фракции содержат в большем количестве СаОсвоб - К2О и S03. В этих зернах больше C3S, что объ­ясняется лучшей размолоспособностью последнего. К тем же выводам пришел Матоушек [40] и А. Н. Иванов-Городов [34],

2) чем тоньше размолот цемент, тем короче сроки схваты­вания и трещинообразования;

3) чем больше мелких фракций в цементе (при одинаковом В/Ц), тем меньше растекаемость;

4) с увеличением тонкости помола цемента уменьшается водоотделение;

5) с увеличением размера цементных зерен увеличивается капиллярная абсорбция;

6) усадка образцов всех возрастов возрастает пропорцио­нально росту удельной поверхности;

7) грубо измельченные цементы наиболее морозоустойчивы.

Установлено [34], что для равномерного твердения цемент­ного камня в естественных условиях и достижения им высокой механической прочности в возрасте свыше ОДНИХ СусОК, необ­ходимо следующее примерное соотношение зерен по размерам:

4 Зак. 823

Зерен менее 5 мк. „ от 5 до 20 мк. «20 „ 40 „ крупнее 40 мк. . .

При этом величина удельной поверхности цемента (опреде­ленная по поверхностемеру В. В. Товарова) указанного зерно­вого состава была 3800—4000 см2/г.

Очевидно, что приведенный зерновой состав не может быть одинаковым для клинкеров различного минералогического со­става. Процентное содержание отдельных фракций в цементе следует уточнять в зависимости от предъявляемых к нему тре­бований и обязательно с учетом химико-минералогического со­става клинкера.

Оптимальным содержанием фракций размером от 3 до 30 мк в обычных портландцементах принято считать 40—50%, в портландцементах высоких марок — 55—65%, а самых вы­соких марок — более 70%-

Установлено, что с увеличением содержания мелких фрак­ций в цементе реакции гидратации и твердения проходят быстрее, а значит, качество готового продукта находится, в ос­новном, в зависимости от минералогического состава клинкера и степени измельчения.

В связи с этим совершенствование технологии тонкого из­мельчения в цементной промышленности приобретает особо важное значение.