Для студентов обучающихся по специальности «Производство строительных изделий и конструкций»

Минеральные вяжущие вещества

Раздел: Быт. Хозяйство. Строительство. Техника

Влияние дисперсности портландцемента на его свойства. Многие свойства портландцемента, в том числе активность, скорость твердения, определяются не только химическим и минеральным составом клинкера, формой и размерами кристаллов алита, белита и др., наличием тех или иных добавок, но и в большой степени тонкостью помола продукта, его гранулометрическим составом и формой частичек порошка.

Цементный порошок в основном состоит из зерен размером от 5—10 до 30—40 мкм. Тонкость помола портландцемента характеризуют обычно остатками на ситах с размером ячеек в свету 0,2, 0,08, а иногда и 0,06 мм, а также удельной поверхностью порошка, определяемой на приборах конструкции В. В. Товарова, ПСХ, Р. Блейна, Ф. Ли и Р. Нерса и др. На этих приборах при точно установленных условиях определяют воздухопроницаемость порошка, а затем по показателям проницаемости и пористости рассчитывают удельную поверхность (с использованием зависимости Козени — Кармана).

В настоящее время обычные портландцемента измельчают до остатка на сите № 008 5—8 % (по массе), цементы же быстротвердеющие — до остатка 2— 4 % и меньше. При этом удельная поверхность соответственно достигает 2500—3000 и 3500—4500 см2/г и более.

С увеличением тонкости помола цемента повышается его прочность и скорость твердения, но лишь до показателей удельной поверхности 7000—8000 см2/г. С этого предела наблюдается обычно ухудшение прочностных показателей затвердевшего цемента. Морозостойкость же его часто начинает ухудшаться и при более низких показателях удельной поверхности (4000— 5000 см2/г).

Разные фракции цементного порошка по-разному влияют на прочность цемента при твердении, а также на скорость твердения. В связи с этим ряд исследователей рекомендует характеризовать цементы не только по удельной поверхности порошка, но и по зерновому составу.

Однако некоторые исследователи считают, что чрезмерное измельчение продукта не всегда целесообразно, так как частички 1—3 и даже 5 мкм быстро гидратиру-ются влагой воздуха уже при кратковременном хранении цементов на складах, что значительно снижает активность материала. Некоторые предполагают, что эти высокодисперсные частички при затвореиии цемента водой гидратируются так быстро, что не участвуют в последующем его твердении.

Однако, говоря о влиянии тонких фракций на активность цементов, следует внимательно учитывать как минеральный состав, так и размеры, структуру кристаллов алита, белита и других компонентов клинкера.

Представление о зерновом составе современных портландцементов, а также о влиянии разных фракций на прочность и интенсивность твердения можно составить по данным опытов, которые Р. Я. Цернес, Л. Н. Шорох и А. В. Бугайчук провели на Здолбуновском цементно-шиферном комбинате. Они изучили до 80 партий цементов, полученных помолом в шаровой мельнице, работавшей в замкнутом цикле с двумя сепараторами. Клинкеры характеризовались следующим средним составом, %: C3S 57, C2S 20, С3А 7, C4AF 14; /(# = 0,9. При помоле получались продукты с удельной поверхностью 2000— 6200 см2/г- На основании опытов исследователи рекомендуют для получения цемента той или иной марки измельчать клинкер в порошок, зерновой состав и удельная поверхность которого приведены в табл. 12. Как видно, на показатели активности цементов (прочность в 28-суточ-ном возрасте) влияют фракции порошка с размером частиц до 20 мкм. Более же крупные частицы (до 30— 50 мкм) влияют на прочность в более отдаленные сроки твердения. Авторы исследования полагают, что фракция 0—5 мкм оказывает решающее влияние ча рост прочности цемента в первые сутки твердения, фракция 5—10 мкм влияет в основном на прочность в 3- и 7-су-точном возрасте, а фракция 10—20 мкм определяет прочность в возрасте 1 мес и более. В частности, измельчая один и тот же клинкер до содержания в порошке 45, 50, 65 и 80 % фракции 0—20 мкм, можно получать цементы марок соответственно 600, 700, 700 ОБТЦ (особо быстротвердеющий) и 800 (при испытании трамбованных образцов). Для получения цементов тех или иных марок исследователи рекомендуют и соответствующие схемы помола клинкеров в шаровых мельницах в замкнутом цикле с центробежными сепараторами.

Многочисленные исследования показывают, что характеристики дисперсности цемента по остаткам на ситах (даже на сите с размером ячейки 0,04 мм) и по удельной поверхности не дают надлежащего представления о содержании различных фракций в порошке и поэтому не позволяют исчерпывающе оценить результаты помола и свойства получаемого цемента.

Для определения содержания различных фракций в цементном порошке используют методы воздушной сепарации, а также седиментациоиный и микроскопический анализы.

Зерновой состав цемента представляют часто в виде кривых в системе координат, где по оси абсцисс наносят логарифмы диаметров зерен, исчисленных- в мкм (обычно от 0 до 200 мкм), а на ординате откладывается суммарное содержание в порошке частиц диаметром от принятого до минимального (в % по массе). Для оценки гранулометрического состава портландцементяого порошка применяют также кривые распределения по массе частиц по фракциям. В этом случае по оси абсцисс наносят значения диаметров зерен в мкм (или их логарифмы, а по оси ординат — процентное содержание (по массе) в цементе частиц той или иной отдельной фракции, лежащей между любыми двумя диаметрами, различающимися лишь очень немного (2—4 мкм). На  30 показаны кривые зернового состава портландцемента заводского .помола с удельной поверхностью 3200 и 4500 см2/г.

Некоторые исследователи показали, что при измельчении клинкера в мельницах получаются цементы с разным числом (1—3) максимумов на кривой содержания различных фракций в измельченном материале в зависимости от вида мельницы. Результаты этих опытов свидетельствуют о значительном влиянии вида помольного агрегата и свойств клинкера на зерновой состав цемента, а следовательно, и на его свойства.

Вопрос о том, как связан зерновой состав портландцемента и, в частности, содержание в нем тех или иных фракций с его активностью, водопотребкостыо, пластичностью теста, скоростью твердения и другими свойствами, изучен пока недостаточно. Мало исследованы н возможности регулирования содержания в цементном порошке зерен тех или иных фракций, а также их формы. Можно лишь отметить, что зерновой состав порошка и форма зерен в большой степени зависят от вида мельницы, применения открытого или замкнутого цикла измельчения, формы и размера мелющих тел, а также от бронеплит в шаровых мельницах, соотношения между длиной и диаметром мельниц, степени заполнения камер мелющими телами и др. Вместе с тем влияние этих факторов при измельчении разных материалов проявляется в разной степени в зависимости от их свойств (прочности, твердости, слоистости, степени хрупкости и т.п.).

Для иллюстрации сказанного можно привести результаты опытов Б. В. Волконского, Л. Г. Судакаса, А. Ф. Краюль и др. по определению повышенной активности цементов, получаемых помолом клинкеров монадо-бластической микроструктуры. По их данным, в этом случае цементные частички получаются «щебеночной» формы с острыми углами и сильно развитой конфигурацией, благоприятствующей интенсивному взаимодействию их с водой. Такая форма частичек, образующихся при измельчении клинкера монадобластической структуры, является следствием кристаллохимических особенностей исходного клинкера. При измельчении клинкера с гломеробластической структурой получаются округленные, галькообразные частички, что при прочих.равных условиях (одинаковые химические состав и тонкость помола) обусловливает пониженную активность получаемого цемента (примерно на ЮМПа).

Размалываемость клинкера и способы ее определения. Все твердые материалы характеризуются присущим им сопротивлением измельчению, причем на разных ступенях тонкого измельчения оно может быть различным, что зависит в основном от макроструктуры и физических свойств материала.

В производстве вяжущих веществ тонкому измельчению подвергаются лишь хрупкие материалы, т. е. такие, у которых предел прочности при сжатии в четыре раза и более превосходит предел прочности при растяжении.

Разные твердые материалы в зависимости от их физических свойств при измельчении в одинаковых условиях с затратой одинакового количества энергии дают продукты, характеризующиеся различной степенью дисперсности. Следовательно, они обладают различно выраженной способностью размалываться. В настоящее время нет методов определения размалываемости материалов, позволяющих оценивать ее в абсолютных единицах применительно к различным способам измельчения. Размалываемость материалов приходится оценивать в значительной мере условно применительно к тем или иным способам помола (сухой или мокрый, в открытом или закрытом цикле) и к различным аппаратам измельчения. Так, размалываемость клинкера и других материалов можно оценивать по кварцу, размалываемость которого принята за единицу.

В производстве цемента материалы измельчают преимущественно в шаровых мельницах. В связи с этим и показатели размалываемости материалов изучались, главным образом, применительно к этим аппаратам.

При измельчении цементов в шаровых мельницах до удельной поверхности 3000—3500 см2/г ее прирост практически пропорционален затраченной работе (по закону Риттингера). Лишь при более высоких степенях, когда наступает агломерация тончайших частичек, прирост удельной поверхности сопровождается повышенным расходом энергии. В соответствии с этим предложено оценивать размалываемость материалов по отношению достигнутой степени дисперсности, устанавливаемой по удельной поверхности полученного порошка, к затраченной работе. Пападакис исчисляет удельную поверхность в см2/г, а работу —в Дж, получая таким образом показатели размалываемости в см2/Дж. Для этого он 20— 40 г материала в виде зерен размером 2,5—5 мм разрушал под давлением в цилиндре, а затем измерял удельную поверхность порошка и затраченную работу. Для разных материалов и при разных затратах работы на измельчение, исчисленной в Дж/г, Пападакис получил показатели удельной поверхности порошков, представленные в виде прямых и ломаных линий на  31. Эти данные свидетельствуют о том, что на разных ступенях измельчения некоторые материалы характеризуются разной размалываемостью, которая оценивается по значению удельной поверхности, полученной при измельчении на 1 Дж работы. Так, клинкер, измельченный до удельной поверхности 3000 см2/г, определенной по методу Ф. Ли и Р. Нерса, имел показатель размалываемости 109 см2/Дж, а при более тонком измельчении —лишь 39см2/Дж.

Размалываемость неоднородных тел зависит от природы, количественного соотношения и размера зерен, слагающих тело. Это видно и на примере одного из доменных шлаков, который, как и клинкер, характеризовался конгломератным строением.