Какое влияние оказывает размер зерен на прочность и скорость твердения портландцемента?

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.

Таблица № 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.