«…Вопрос техники есть вопрос не о возможных способах действия, а о выгоднейших…»
Проф. В.Д. Мачинский
Проблемы рационального использования материальных ресурсов, экономии, снижения издержек в наше время приобретают особую актуальность.
Грамотно построенные технологические схемы, позволяющие максимально полно использовать последние достижения научно-технического прогресса в деле экономии материальных ресурсов, являются залогом успеха как отдельных предприятий, так и экономики страны в целом.
Особенно остро проблемы экономии минеральных вяжущих веществ, в частности портландцемента, стоят перед предприятиями строительной отрасли, занятыми в производстве сборного железобетона, мелкоштучных стеновых камней, элементов мощения и благоустройства.
В настоящее время именно портландцемент является одним из наиболее широко используемых дорогостоящих и дефицитных строительных материалов.
Таким образом, вопросы экономии портландцемента неразрывно связаны с проблемой более рационального использования материальных ресурсов в практике современного строительства.
Портландцементом называется гидравлическое вяжущее вещество, получаемое путем тонкого измельчения цементного клинкера, изготовленного обжигом до спекания сырьевой смеси надлежащего состава, обеспечивающего преобладание в получаемом клинкере силикатов кальция.
Портландцемент представляет собой порошок серовато-зеленого цвета, насыпная плотность которого в зависимости от степени уплотнения — 900-1600 кг/м3.
При взаимодействии портландцемента с водой происходит образование новых гидратных соединений, обуславливающих схватывание и твердение цементного теста, растворной или бетонной смеси. На этом явлении и основано использование цемента как вяжущего материала.
Портландцемент является наиболее дорогостоящим компонентом бетонной смеси. Производство портландцемента возможно только на специализированных предприятиях - цементных заводах. Дробление сырья, тонкий помол компонентов, высокая температура обжига сырьевой смеси, повышенный расход электроэнергии - все это оказывает влияние на конечную стоимость продукта.
Однако высокая стоимость портландцемента объясняется не только сложностью его производства, но и постоянным дефицитом этого материала. Сезонный дефицит портландцемента, а, соответственно, увеличение отпускных цен, с которых обычно начинается весенний строительный сезон, открывает широчайшие возможности бессовестной спекуляции при оптовой и розничной перепродаже портландцемента.
И все же, не смотря на высокую стоимость и постоянный дефицит портландцемента, перерасход этого дорогостоящего материала в отечественном строительстве поистине огромен, что, прежде всего, связано с низкой культурой производства и глубоким непониманием основных факторов, влияющих на практическую активность портландцемента.
Одними из основных причин перерасхода портландцемента в современном строительстве являются: дефицит высококачественных заполнителей (щебня, гравия, песка); невысокая изначальная активность портландцемента; снижение активности портландцемента вследствие неудовлетворительных условий хранения и транспортировки; низкая культура производства бетонных изделий.
В тоже время существующие отечественные разработки позволяют значительно увеличить активность рядового портландцемента, восстановить активность лежалого портландцемента, и, тем самым, существенно снизить расход портландцемента в производстве строительных материалов, изделий и конструкций.
Применение высокоактивного портландцемента, в частности особо быстротвердеющего портландцемента, в практике современного строительства имеет исключительно важное значение.
Быстротвердеющий портландцемент целесообразно применять при изготовлении высокопрочных, обычных и преднапряженных железобетонных изделий и конструкций. Применение быстротвердеющего портландцемента позволяет значительно сократить потребность в металлических формах, в некоторых случаях полностью отказаться от тепловой обработки изделий при возведении сооружений из монолитного бетона, сократить сроки выдержки железобетонных конструкции в опалубке.
Однако, в настоящее время, хотя методы активации портландцемента достаточно хорошо изучены, подтверждены многочисленными исследованиями и дополнены практическими результатами, в современном строительстве они используются недостаточно широко.
Задача данной статьи - попытаться разрушить скептическое отношение некоторых специалистов-строителей к практическим возможностям активации портландцемента, указать проверенные пути более рационального использования материальных ресурсов в практике современного строительства.
Хорошо известно, что основные свойства портландцемента, в том числе, активность, скорость твердения определяются не только химическим и минералогическим составом клинкера, формой и размерами кристаллов алита и белита, наличием тех или иных добавок, но и, в большой степени, тонкостью помола продукта, его гранулометрическим составом и формой частичек порошка.
Повышение прочности портландцемента в первые сроки твердения в значительной степени обуславливается именно тонкостью помола.
В настоящее время обычные портландцементы 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.
Таким образом, с увеличением тонкости помола портландцемента повышается его прочность. Увеличение прочности цементного камня открывает широкие возможности снижения расхода портландцемента при производстве бетонных изделий нормируемых показателей прочности.
Комплекс мероприятий, позволяющих более полно использовать массу цементных частиц в деле склеивания отдельных зерен заполнителя в единый монолит - искусственный камнеподобный материал - называется активацией портландцемента.
Однако было бы неверно рассматривать процесс активации портландцемента исключительно с позиции увеличения дисперсности цементного порошка. Помимо тонкости помола, а соответственно площади контактной поверхности цементного зерна, на его активность также оказывает влияние и сама структура этой поверхности.
Под воздействием механического нагружения цементных зерен возникают физические дефекты в подрешетках и решетках минералов, что значительно ускоряет элементарные взаимодействия поверхностного слоя вяжущего с водой. Происходит сокращение времени набора портландцементом марочной прочности, более полно используется потенциальная энергия вяжущего вещества.
Практика:
Не секрет, что зачастую реальная марка портландцемента, доставленного потребителю, не соответствует марке, заявленной производителем.
Реальная (практическая) активность портландцемента зачастую оказывается существенно сниженной по причине нарушения технологического процесса при его производстве, длительного либо неправильного хранения и т.д.
Перечисленные факторы способны существенно изменить показатели активности цемента в худшую сторону, что и заставляет строителей увеличивать расход портландцемента для получения бетонных изделий нормируемых характеристик.
Особенно остро проблема несоответствия заявленной марки портландцемента реальной стоит перед предприятиями строительной отрасли занятыми в производстве сборного железобетона, мелкоштучных стеновых камней, элементов мощения и благоустройства. Специфика производства подобных изделий из бетона предполагает помимо точного соблюдения дозировок компонентов бетонной смеси, жесткий контроль основных физико-механических характеристик выпускаемой продукции. Таким образом, для получения заданных показателей бетона (прочности, морозостойкости) необходима частая корректировка состава смеси с учетом активности поступающего на предприятия портландцемента. Вынужденное увеличение расхода портландцемента для получения изделий нормируемых характеристик резко увеличивает себестоимость выпускаемой продукции и ставит производителя в жесткую зависимость от множества случайных факторов, оказывающих влияние на активность портландцемента.
Комплекс мероприятий по активации портландцемента непосредственно на производстве бетонных изделий позволяет не только оптимизировать расход дорогостоящих вяжущих веществ, но и открывает возможности получения портландцемента, свойства которого изменены с учетом специфики производства.
На каждом конкретном предприятии строительной отрасли может быть принято решение о наиболее рациональном использовании результатов активации: снижение расхода портландцемента, получение бетонных изделий повышенной прочности, сокращение сроков набора изделиями распалубочной прочности и т.д.
В отдельных случаях для восстановления марки портландцемента достаточно использовать агрегаты измельчения малой мощности и низкого помольного эффекта. В других случаях для повышения прочности портландцемента на 1-2 марки возможно применение высокопроизводительных агрегатов активации цементного зерна. В каждом случае производитель бетонных изделий имеет возможность выбора необходимого оборудования активации портландцемента для решения конкретных задач данного производства.
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 различной конструкции (В. В. Товарова, ПСХ, Блейна, Ли и Нерса и др.). В 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 предыдущей главе мы писали о влиянии тонкости помола портландцемента на его прочность и скорость твердения, однако помимо тонкости помола портландцемента (показатель удельной поверхности) на его основные характеристики также оказывает влияние и гранулометрический состав цементного зерна.
Известно, что разные фракции цементного порошка по-разному влияют как на прочность цементного камня, так и на скорость его твердения. В связи с этим ряд исследователей рекомендует характеризовать активность цемента не только по удельной поверхности порошка, но и по зерновому составу.
Так, А. Н. Иванов-Городов полагает, что равномерное и быстрое твердение цемента достигается при следующих зерновых составах: зерен мельче 5 мкм — не более 20 %, зерен размерами 5-20 мкм — около 40-45 %, зерен размерами 20-40 мкм — 20-25 %, а зерен крупнее 40 мкм — 15-20 %.
Многочисленные исследования, проводившиеся как в нашей стране, так и за рубежом, позволили выявить следующую зависимость между количеством зерен определенного размера и скоростью твердения портландцемента.
Так, частицы размерами 0-5 мкм оказывают решающее влияние на рост прочности цементного камня в первые часы твердения. Именно от частиц этого размера напрямую зависят сроки начального схватывания портландцемента.
Частицы размером 5-10 мкм влияют на прочность цементного камня в 3-7 суточном возрасте, а фракция 10-20 мкм определяет прочность в 28 суточном и более позднем возрасте.
Установлено, что, измельчая один и тот же портландцементный клинкер и соответственно изменяя долю частиц размером 5-20 мкм в общей массе цементного порошка, можно получать портландцемент марок 600, 700 и 700 ОБТЦ (аббревиатура ОБТЦ расшифровывается как особо быстро твердеющий цемент).
Влияние зернового состава и удельной поверхности на активность (прочность) портландцемента приведена в таблице № 1.
| Удельная поверхность см2/г | Содер-жание SO3, % | Содержание, %, фракций, мкм | Предел прочности при сжатии, МПа, через сутки | Марка цемента при испытании трамбованных образцов | ||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 0-5 | 5-10 | 10-20 | 0- 10 | 0-20 | >80 | 1 | 3 | 7 | 28 | |||
| 2300 | 2 | 2 | 14 | 27 | 16 | 43 | 7 | 15 | 38 | 51 | 64,5 | 600 |
| 2800 | 2 | 7 | 14 | 31 | 21 | 52 | 4 | 21 | 35 | 54 | 74 | 700 |
| 4300 | 2,6 | 9 | 25 | 29 | 34 | 69 | 2,5 | 33 | 51 | 62 | 73 | 700 ОБТЦ |
Из представленной таблицы видно, что путем изменения массовой доли частиц определенного размера возможно получение портландцемента высокой марочной прочности при совершенно рядовых показателях удельной поверхности (для справки: удельная поверхность шлакопортландцемента М 400 производства «ОАО Липецкий цементный завод» составляет 2687 см2/г).
Принимая во внимание, что помол цементного клинкера с получением тонкодисперсного порошка весьма дорогостоящая операция (мощность приводного двигателя шаровой мельницы, используемой в производстве цемента, производительностью 50 т/ч достигает 1000 кВт), именно корректировка гранулометрического состава цементного порошка, несомненно, является наиболее экономически выгодным способом повышения полезных свойств портландцемента при его активации.
Практика:
Насущная необходимость получения портландцемента высокого качества, в том числе особобыстротвердеющего портландцемента, с возможностью корректировки основных его характеристик (прочности, сроков твердения) непосредственно на производстве бетонных изделий заставляет искать наиболее эффективные приемы активации.
Наметившаяся в настоящее время тенденция переноса центра тяжести получения материалов с особыми свойствами от крупных специализированных предприятий-монополистов к предприятиям более мелким, несомненно, затрагивает и строительную отрасль.
Огромная потребность как строителей, так и производителей строительных материалов в портландцементе с особыми свойствами ни в коем случае не может быть удовлетворена крупными производителями цемента.
В сложившейся ситуации крупные цементные заводы будут играть роль производителя рядового продукта, являющегося сырьем для получения вяжущих веществ заданных характеристик, в частности, особо быстро твердеющего портландцемента.
Получение высокомарочного портландцемента в обязательном порядке должно быть децентрализовано. Вопросы получения быстро твердеющего вяжущего материала должны и будут решены на местах производства бетонных изделий и конструкций.
Таким образом, предприятия строительной отрасли, занятые в производстве бетонных изделий, получат возможность самостоятельного изготовления вяжущих веществ заданных характеристик, используя в качестве сырья рядовой портландцемент заводского изготовления. При этом работы по активации портландцемента будут производиться на неспециализированных предприятиях в непосредственной близости от места его использования, исключая длительное хранение активированного материала.
Соответственно, технология получения особо быстро твердеющего портландцемента и технологическое оборудование, задействованное в его производстве, должны отвечать требованиям экономической целесообразности, иметь возможность встраивания в существующие технологические линии, простоту освоения технологии активации цемента на предприятиях ранее не занимавшихся подобными работами.
Для реализации данных задач как сами технологические приемы, так и измельчительное оборудование, задействованные в классических схемах производства цемента не подходят по причине диаметрального различия решаемых задач. В одном случае - это массовое производство материала усредненных характеристик, способного выдержать хранение и доставку до потребителя, а в другом случае - это получение материала заданных свойств в ограниченных объемах и максимально быстрого использования без промежуточного хранения.
Именно поэтому активация портландцемента непосредственно на производстве бетонных изделий должна развиваться по пути повышения экономической эффективности работ с ограниченными объемами материала.
Современное оборудование для активации портландцемента дает такую возможность.
Помимо показателей удельной поверхности, гранулометрического состава цементного порошка форма зерен портландцемента также оказывает существенное влияние на его вяжущие свойства.
В зависимости от типа помольного агрегата существенно изменяется форма цементного зерна. Так, форма частиц цемента осколочной «щебеночной» формы с острыми углами и сильно развитой конфигурацией взаимодействует с водой более интенсивно, в отличие от частиц цемента округленной, галькообразной формы.
При равных показателях удельной поверхности, равном содержании частиц цемента размерами 0-20 мкм, одинаковом химическом составе прочность цементного камня, состоящего из частиц осколочной формы, будет выше, нежели прочность цементного камня, состоящего из частиц округлой формы. Соответственно, и скорость твердения портландцемента с осколочной формой частиц выше, чем с округленной формой.
Таким образом, одно лишь изменение формы частиц цементного зерна с округленной на осколочную, при прочих равных условиях обеспечивает повышение активности портландцемента в среднем на 10 МПа.
Существующая зависимость формы цементного зерна от типа помольного агрегата позволяет сделать выводы о наиболее предпочтительном способе разрушения цементного зерна, обеспечивающем получение частиц осколочной формы.
Так, для способа разрушения частиц цемента методом истирания в трубных шаровых мельницах, работающих по открытому циклу, характерно получение частиц округлой галькообразной формы.
Частицы цемента получают округлую форму в результате длительного истирающего воздействия мелющих тел шаровой мельницы с частыми, но слабыми ударами падающих шаров. В результате зерна цемента, продвигаясь к выходу шаровой мельницы, истираются мелющими шарами и стенками мельницы, приобретают округлую форму. Степень окатанности цементного зерна зависит от формы и размера мелющих тел, соотношения между длиной и диаметром мельницы, степени заполнения камер мелющими телами, а также от ряда других факторов.
Однако общая динамика измельчения методом истирания следующая: чем большее время цементное зерно находится в шаровой мельнице, тем более окатанной становится его форма.
Таким образом, для получения материала высокой дисперсности необходимо увеличить время контакта с мелющими телами. Чем большее время цементное зерно контактирует с мелющими телами, тем более окатанную форму приобретает, чем более окатанная форма цементного зерна, тем ниже активность получаемого портландцемента.
Но основная проблема изготовления особо быстро твердеющего портландцемента с использованием шаровых мельниц заключается даже не в форме получаемого цементного зерна, а в большом количестве переизмельченного материала (подробнее о вреде переизмельчения цементного зерна мы расскажем ниже).
Перечисленные особенности измельчения цементного зерна методом истирания ни в коем случае не говорят о низкой эффективности наиболее широко распространенных агрегатов измельчения (шаровых мельниц, вибромельниц и т.д.) в практике получения рядового портландцемента. Рассматриваемые особенности данного типа измельчительного оборудования оказывают негативное воздействие на измельчаемый материал только при производстве высокоактивного, быстро твердеющего портландцемента.
Совершенно другая картина наблюдается при разрушении цементного зерна методом высоко энергонагруженного удара. Для этого метода разрушения цементного зерна характерна именно осколочная, кубовидная «щебеночная» форма частиц. Разрушение цементного зерна происходит в результате мощных ударов с минимальными промежутками времени между ними. В этом случае практически полностью исключается переизмельчение и агломерация тончайших частиц измельчаемого материала. Измельчаемый материал эффективно охлаждается, время его пребывания в помольном агрегате исчисляется сотыми долями секунды.
Высокая производительность, малая энергонагруженность, низкие масса-габаритные показатели — отличительные признаки измельчительных агрегатов ударного действия (дезинтеграторы, мельницы струйные).
Практика:
Выше мы рассмотрели основные факторы, оказывающие влияние на активность портландцемента.
Итак, показатели удельной поверхности оказывают существенное влияние на вяжущие свойства цемента, однако получение высокодисперсного порошка всегда сопровождается повышенным расходом энергии. Так, при измельчении цемента в шаровой мельнице (шаровые мельницы наиболее часто используются в производстве цемента на цементных заводах) до удельной поверхности 3000 см2/г ее прирост практически пропорционален затраченной работе (по закону Риттингера). Однако при более высокой степени измельчения, когда наступает агломерация тончайших частиц, прирост удельной поверхности сопровождается повышенным расходом энергии.
Таким образом, метод повышения активности портландцемента путем значительного увеличения его удельной поверхности не может быть признан целесообразным для производителей бетонных изделий по причине высокой себестоимости активации.
Другими словами, метод изготовления рядового портландцемента (М 400, М 500) с применением шаровых мельниц большой производительности, вполне оправдывающий себя при массовом производстве цемента, совершенно не подходит для предприятий, занятых в производстве бетонных изделий и заинтересованных в получении высокопрочных, быстро твердеющих вяжущих веществ. Тем более, что помимо высокой стоимости, значительных масса-габаритных показателей, высокой энергонагруженности шаровым мельницам свойственны и другие серьезные недостатки, снижающие их практическую ценность в деле получения высокомарочного портландцемента, в частности большой процент переизмельченного материала (подробнее о вреде переизмельчения цементного зерна мы расскажем ниже).
Метод повышения активности портландцемента путем увеличения массовой доли частиц размером 0-20 мкм при условии получения осколочной «щебеночной» формы частиц представляется более рациональным в условиях неспециализированных предприятий. Данный метод активации портландцемента рядового качества при относительно небольших затратах способен обеспечить впечатляющий и, что немаловажно, легко повторяемый в производственных условиях результат.
Однако, для реализации данного метода активации необходимо применение технологического оборудования, в корне отличающегося от оборудования, традиционно применяемого на цементных заводах (например, шаровых мельниц).
Будущее в практике получения высокоактивного портландцемента на предприятиях по выпуску изделий из бетона, несомненно, за измельчительными агрегатами ударного действия.
Авторы серии статей «Строительная лоция» сотрудники МП «ТЕХПРИБОР» Векслер М.В.
Коренюгина Н.В.
Липилин А.Б.
