Отчет об исследованиях повышения активности портландцемента марки 500Д0, производства ОАО «Осколцемент», методом селективной дезинтеграторной активации.

Как известно, технические и функциональные свойства портландцемента, такие как его активность, скорость твердения, и т.д., обуславливаются не только химическим и минералогическим составом клинкера, но и, в большей степени, формой и размером частиц порошка, тонкостью помола, гранулометрическим составом.

Цементный порошок представлен весьма разнообразным гранулометрическим составом частичек, размером от 0 до 100 мкм. Причем, каждая фракция частиц цементного порошка по-разному влияет на создание прочности цемента в разные сроки его твердения. Так, на показатели активности (прочность в возрасте 28 суток) основное влияние оказывает содержание фракций порошка до 20 мкм, крупные же частицы влияют на прочность в более поздние сроки твердения. Крупные цементные зерна, при относительно небольшой удельной поверхности, слабо вовлекаются в реакцию с водой и дают небольшое количество гидратных новообразований и, наоборот, частицы активного диапазона размеров оказывают основное влияние на интенсивность гидратационных и гидролизных процессов, связанных с образованием структурных частичек цементного геля. Тем самым, варьируя процентное содержание в порошке зерен различных фракций, возможно, получать высокомарочные быстротвердеющие цементы, что позволит регулировать прочность бетонных изделий в разные сроки твердения.

Селективное преобразование цементного порошка в целях оптимизации его зернового состава, для увеличения процентного содержания частиц активного диапазона размеров, происходит за счет пофракционного разделения (первичной классификации) и дополнительного измельчения (дезинтегрирования) выделенных крупных цементных зерен, которые в достаточном количестве присутствуют даже в высокомарочном цементе заводского изготовления.

Цель данной работы — улучшение основных свойств портландцемента (активность, скорость твердения); экономия вяжущего в производстве строительных материалов.

Селективное преобразование гранулометрического состава цементного вяжущего с целью получения портландцемента со специальными свойствами, позволяет сократить время твердения готовых изделий; снизить энергонагруженность помольного оборудования, используемого в работах по активации; обеспечить возможность использования помольного оборудования малой и средней мощности в производстве активированного вяжущего; снизить себестоимости производства цемента со специальными свойствами.

Метод селективной дезинтеграторной активации — заключается в первичной классификации поступающего на производство портландцемента с целью выделения тонкой фракции цементного порошка, представленной зернами требуемых размеров, дальнейшее измельчение которых нецелесообразно из-за опасности переизмельчения материала, уменьшения содержания в порошке частиц активного диапазона размеров и повышенного расхода энергии, связанной с бесполезным нагружением высокодисперсного материала.

Цементный порошок представленный малоактивными частицами, размеры которых больше граничной крупности разделения (грубая фракция) подвергается дополнительному измельчению (дезинтеграторному помолу) для корректировки гранулометрического состава и перевода крупных зерен в активный диапазон размеров частиц цементного порошка.

Основные термины метода:

Первичная классификация (в селективной дезинтеграторной активации) — основной технологический передел метода СДА, служащий для разделения на соответствующие фракции цемента заводского изготовления. В отличие от традиционно применяемой в производстве цемента вторичной классификации при помоле материала (вторичная классификация осуществляется уже после механического нагружения цементного зерна), первичная классификация позволяет разделять цементный порошок перед его подачей на участок помола (классификация цементных зерен по их размеру происходит не в процессе помола, а непосредственно перед помолом).
Дезинтеграторная обработка, дезинтегрирование (в селективной дезинтеграторной активации) — помол материала методом высокоэнергонагруженного свободного удара, реализуемого стержневой мельницей- дезинтегратором оригинальной конструкции. Использование дезинтегратора в качестве помольного агрегата позволяет получать высокодисперсный порошок узкого гранулометрического состава, представленного цементными зернами наиболее активного диапазона размеров.
Тонкая фракция (в селективной дезинтеграторной активации) — выделенная при первичной классификации фракция цементного порошка, представленная тонкими частицами, дальнейшее измельчение которых нецелесообразно.
Грубая фракция (в селективной дезинтеграторной активации) — выделенная при первичной классификации фракция цементного порошка, представленная малоактивными частицами, размер которых больше граничной крупности разделения и подвергаемая дополнительному измельчению (дезинтегрированию), для корректировки гранулометрического состава и перевода крупных зерен в активный диапазон размеров частиц цементного порошка.

Характеристика исходного материала:

В качестве исходного исследуемого продукта использовался:
Портландцемент ПЦ 500Д0 производства ОАО «Осколцемент».
Заявленные заводские характеристики : Портландцемент бездобавочный марки 500 (ПЦ 500 Д0) ГОСТ 10178-85, относится к первой группе по эффективности пропаривания

Оборудование для переработки данных материалов, производства МП «ТЕХПРИБОР»:

Модульный комплекс воздушной классификации высокой точности разделения серии «ПРОГРЕСС - МК»

Максимально допустимый размер частиц исходного материала — 10 мм
Диапазон разделения граничной крупности — 20-80 мкм
Максимальная частота вращения разделяющего ротора — 2500 об/мин
Максимальная производительность — 5 т/ч

Измельчитель — дезинтегратор серии «ГОРИЗОНТ — 4500 МК Ultra»^®

Максимально допустимый размер частиц исходного материала — 12 мм
Частота вращения дисков - 4500 об/мин;
Кол-во пальцев-бил — 98 шт.;
Линейная скорость последнего ряда пальцев-бил — 98,9 м/с;
Производительность — до 5,5 т/ч

Методика и оборудование анализа полученных материалов:

ГОСТ 10178 «Портландцемент и шлакопортландцемент. Технические условия»
Определение физико-механических свойств цементов по ГОСТ 310.1 — 310.4
Лазерный дифракционный микроанализатор для автоматического гранулометрического экспресс-анализа материала в сухом состоянии или в суспензии на основе дифракции сходящегося лазерного луча

Результаты испытаний

Портландцемент ПЦ 500Д0 производства ОАО «Осколцемент».

Гранулометрический анализ исходного цемента представлен в таблице 1 и графически.

Таблица 1 — Процентное содержание частиц определенного размера.

14.07 %
32.32 %
50.11 %
65.33 %
77.09 %
85.30 %
90.88 %
94.29 %
96.45 %
97.79 %
99.15 %
99.65 %
99.86 %
99.95 %
99.99 %
100.00 %
****** %

<=
<=
<=
<=
<=
<=
<=
<=
<=
<=
<=
<=
<=
<=
<=
<=
<=

5.00 мкм
10.00 мкм
15.00 мкм
20.00 мкм
25.00 мкм
30.00 мкм
35.00 мкм
40.00 мкм
45.00 мкм
50.00 мкм
60.00 мкм
70.00 мкм
80.00 мкм
90.00 мкм
100.00 мкм
200.00 мкм
300.00 мкм

График 1 — Гистограмма и интегральная кривая исходного цемента

Итак, исходный цемент с завода представляет собой тонкодисперсный порошок, с удельной поверхностью 2250 см²/г и преобладающим размером частиц в диапазоне от 5 до 50 мкм. Причем, 90 % частиц порошка имеют размер частиц менее 35 мкм, и 14 % частиц менее 5 мкм.

Гранулометрический анализ выделенной грубой фракции цементного порошка представлен в таблице 2 и графически.

Таблица 2 — Процентное содержание частиц определенного размера

7.75 %
19.11 %
33.25 %
49.54 %
65.31 %
77.82 %
86.61 %
91.82 %
94.90 %
96.65 %
98.27 %
98.93 %
99.32 %
99.56 %
99.72 %
100.00 %
****** %

<=
<=
<=
<=
<=
<=
<=
<=
<=
<=
<=
<=
<=
<=
<=
<=
<=

График 2 — Гистограмма и интегральная кривая выделенной крупной фракции цемента

Итак, первичной классификацией цемента выделена грубая фракция, в основной своей массе представленная частицами от 15 до 50 мкм — 63 % и от 50 до 200 мкм — 5 %. Процентное же содержание фракции 5-20 мкм сократилась в два раза, по сравнению с исходным.

Гранулометрический анализ выделенной грубой фракции цементного порошка после дезинтеграторной обработки представлен в таблице 3 и графически.

Таблица 3 — Процентное содержание частиц определенного размера

2.49 %
4.80 %
6.79 %
7.38 %
8.35 %
10.53 %
23.63 %
38.91 %
56.02 %
72.83 %
85.94 %
94.28 %
98.11 %
99.62 %
100.00 %
100.00 %
100.00 %

<=
<=
<=
<=
<=
<=
<=
<=
<=
<=
<=
<=
<=
<=
<=
<=
<=

1.00 мкм
2.00 мкм
3.00 мкм
3.50 мкм
4.00 мкм
5.00 мкм
10.00 мкм
15.00 мкм
20.00 мкм
25.00 мкм
30.00 мкм
35.00 мкм
40.00 мкм
45.00 мкм
50.00 мкм
55.00 мкм
60.00 мкм

График 3 — Гистограмма и интегральная кривая выделенной грубой фракции цементного порошка после дезинтеграторной обработки

Дезинтеграторный помол выделенной грубой фракции цемента хотя и изменил частное процентное содержание частиц, по сравнению с исходным гранулометрическим составом (см. гистограмму), но общий процент частиц преобразовался в схожий с первоначальным заводским (см. интегральную кривую). Содержание частиц менее 35 мкм — 94 %, и 10,5 % частиц менее 5 мкм. Основной процент порошка представлен частицами 10-40 мкм. Удельная поверхность составила 1320 см²/г.

Гранулометрический анализ выделенной при первичной классификации тонкой фракции цементного порошка представлен в таблице 4 и графически.

Таблица 4 — Процентное содержание частиц определенного размера

4.36 %
9.08 %
13.49 %
15.93 %
18.53 %
24.02 %
50.68 %
70.56 %
83.57 %
91.19 %
95.34 %
97.66 %
98.82 %
99.44 %
99.77 %
99.93 %
100.00 %

<=
<=
<=
<=
<=
<=
<=
<=
<=
<=
<=
<=
<=
<=
<=
<=
<=

График 4 — Гистограмма и интегральная кривая выделенной при первичной классификации тонкой фракции цементного порошка

Выделенная при первичной классификации тонкая фракция цементного порошка представлена частицами менее 50 мкм, причем 24 % частиц менее 5 мкм; 50 % частиц менее 10 мкм и менее 25 мкм — 91 %. Удельная поверхность выделенной фракции составила 4100 см²/г.

Имея представление о зерновом составе различных фракций цементного порошка, исследуем изменение активности цементного порошка в зависимости от преобразования грансостава.

Активность различных фракций цементного порошка определялась по пределу прочности при сжатии образцов-балочек в возрасте 3, 7 и 28 суток нормального твердения.

Результаты испытаний приведены в таблице 5.

Таблица 5 — Прочность цементных образцов нормального твердения
Состав	Исходные материалы	Удельная поверхность, см²/г	Предел прочности при сжатии в возрасте 3 суток, R_сж, кгс/см²	Предел прочности при сжатии в возрасте 7 суток, R_сж, кгс/см²	Предел прочности при сжатии в возрасте 28 суток, R_сж, кгс/см²
Контрольный состав	Цемент 500Д0 Песок по ГОСТ 6139	2250	186	197	312
Основной состав № 1	Цемент грубая фракция Песок по ГОСТ 6139	-	99	120	178
Основной состав № 2	Цемент дезинтегрированная фракция Песок по ГОСТ 6139	1320	184	208	250
Основной состав № 3	Цемент тонкая фракция Песок по ГОСТ 6139	4100	300	324	368

Вывод:

Исходный цемент с завода представлен частицами различного размера от < 5 до > 60 мкм, тонкостью помола 2250 см²/г. Марочная прочность составила 312 кгс/см². Цементный камень представлен продуктами гидратации и непрогидратировавшими зернами цемента, т.к. содержащиеся крупные частицы цемента значительно позднее вступают в реакции гидратации.
Марочная прочность грубой фракции цемента значительно ниже прочности исходного цемента и составляет 178 кгс/см². В процессе твердения участвовали частицы цемента более 40 мкм, показатели прочности которых, характерны для более поздних сроков испытаний, частицы не полностью вступили в реакцию с водой гидратации и представляют собой не активные цементные зерна, способные образовывать прочные гидратные соединения, а частицы, играющие больше роль добавок-микронаполнителей.
Дезинтеграторный помол грубой фракции цемента преобразовал его грансостав с переводом в активный диапазон размеров малоактивных (крупных) частиц цементного порошка. При этом значительно повысилась прочность цементного камня и в первые сутки твердения сравнялась с прочностью исходного цемента, что объясняется более полной гидратацией клинкерных минералов. Цементный порошок после домола представлен частицами менее 40 мкм, имеющими осколочную форму и развитую поверхность, благоприятствующую полному растворению цементных зерен и гидратации.
Изменение дисперсности цемента с 2250 до 4100 см²/г, путем выделения первичной классификацией тонкой фракции, увеличило прочность затвердевшего вяжущего в первые сутки на 60 %. Это вытекает из того, что чем выше дисперсность частичек, тем больше точек соприкосновения и тем выше взаимосвязь между ними.

Итак, выделение грубой фракции портландцемента и ее дальнейшая активация (дезинтегрирование) позволило получить материал узкой гранулометрии (преобладание средней фракции (10-40 мкм)), в результате измельчения крупных, малоактивных цементных зерен без значительной потери в прочности. Увеличение дисперсности портландцемента, сопровождается увеличением прочности цементного камня, обусловленной повышенной связующей способностью частичек новообразований.

Отчет об исследованиях повышения активности портландцемента марки 500Д0, производства ОАО «Осколцемент», методом селективной дезинтеграторной активации.

Характеристика исходного материала:

Оборудование для переработки данных материалов, производства МП «ТЕХПРИБОР»:

Модульный комплекс воздушной классификации высокой точности разделения серии «ПРОГРЕСС - МК»

Измельчитель — дезинтегратор серии «ГОРИЗОНТ — 4500 МК Ultra»®

Методика и оборудование анализа полученных материалов:

Результаты испытаний

Измельчитель — дезинтегратор серии «ГОРИЗОНТ — 4500 МК Ultra»^®