Измельчение цемента с помощью шаровых мельниц и аппаратов вихревого слоя

Измельчение цемента с помощью шаровых мельниц и аппаратов вихревого слоя

Среди наиболее употребляемых ресурсов на земле цемент и бетон занимают второе место после воды. В среднем каждый год на одного человека приходится до одной тонны цемента. Данный материал находит широкое применение в качестве вяжущего компонента при получении бетона, железобетона и различных строительных растворов. Спрос на цемент при строительстве новых зданий и сооружений, а также их ремонте и реконструкции остается стабильно высоким.

Технологический процесс получения цемента включает в себя несколько этапов и заканчивается помолом клинкера с добавкой гипса. Тонкость помола является очень важной характеристикой для цемента, так как именно она определяет количество материала, способного к гидратации. От нее также зависит скорость гидратации и нарастания прочности. Процессы измельчения являются энергозатратными. На них расходуется до 20% от электроэнергии, генерируемой во всем мире. Одновременно около 70% энергозатрат при получении цемента приходится на помол клинкера. Исходя из этого, важные задачи цементной промышленности на современном этапе ее развития можно сформулировать следующим образом:

1. Повышение тонкости помола сырьевых материалов.
2. Внедрение надежного и простого в эксплуатации измельчающего оборудования.
3. Снижение энергоемкости процесса измельчения.

2. Прочность. Активность. Марка.

Основным свойством, характеризующим качество любого цемента, является его прочность (марка). Марка цемента определяется испытанием стандартных образцов — палочек размером 4*4*16 см, приготовленных из раствора цемента и стандартного вольского песка, с последующим твердением в течение 28 суток во влажных условиях. Испытания проводятся на изгиб и сжатие. Прочность контрольных образцов на сжатие, выраженная в кгс/см2, является маркой цемента. В строительстве применяют цементы марок 400, 500, 600. Действительную прочность цемента называют его активностью. Т.е. если контрольные образцы показали прочность при сжатии 44МПа, то активность этого цемента будет 44 МПа (? 440 кгс/см2), а марка – 400. При проектировании состава бетона лучше использовать активность цемента, так как это обеспечивает более точные результаты и экономию цемента. Помимо прочности к цементам предъявляются и другие требования, важными из которых являются нормальная густота и сроки схватывания.

Сроки схватывания цемента

Важная техническая характеристика любого бетонного раствора – начало схватывания цемента гост 30515-2013 при стандартных условиях (средняя температура окружающего воздуха 20 градусов Цельсия, средняя влажность окружающего воздуха 75%). «Святое писание» каждого строителя – ГОСТ 30515-2013, дифференцирует общестроительные цементы на три категории:

• Медленносхватывающиеся. Время начала схватывания более 2 часов после затворения.
• Нормально схватывающиеся. Время начала схватывания более 45 минут до 2 часов после затворения.
• Быстросхватывающиеся. Время начала схватывания менее 45 минут после затворения.

Также ГОСТ 30515-2013 определяет предельные отклонения начала схватывания. Для медленносхватывающихся и нормально схватывающихся цементов – минус 15 минут от нормируемого показателя, для быстросхватывающихся – плюс 5 минут от нормируемого показателя. На скорость гидратации цемента кардинально влияет температура воздуха.

При понижении температуры до 5 градусов Цельсия и ниже процесс гидратации практически останавливается. В этом случае конструкцию укрывают специальными матами, строят над ней временный шатер, либо прогревают другими доступными способами. Сроки схватывания любого цемента можно как увеличить, так и уменьшать внесением специальных добавок.

Основные марки

Марки цемента обозначаются буквой М и цифрами от 25 до 1000. Самые распространенные марки – М100, М200, М300, М400 и М500. Остальные применяются для конкретных задач и намного реже. Самые универсальные и прочные марки цемента – М400 и М500. Как было указано выше, цифры рядом с индексом говорят о нагрузке в кг/см2, которую может выдержать застывший камень.

Марки ниже М100 и М200 применяются для штукатурки, кладки, выше М600 – для возведения объектов особого назначения (военных, бункеров, ракетных шахт и т.д.).

• ПЦ – портландцемент.
• ШПЦ – шлако-портландцемент.
• Б – быстротвердеющий состав.
• СС – вяжущее с сульфатостойкими свойствами.
• ПЛ – цемент уже с пластификатором в составе.
• Н – нормированный, цемент с подтвержденной прочностью.
• ВРЦ – водонепроницаемый цемент (применяется в возведении гидротехнических сооружений).

Также по ГОСТу 31108 указывают наличие добавок в порошке: I обозначает, что добавок нет; II – в цементе есть минеральные компоненты. Объем добавок обозначается буквами: А – 6-20% минкомпонентов, Б – 21-35%. Добавками могут выступать пуццолан, шлак, полимеры и т.д. Скорость твердения также обозначается буквами: Н – нормально твердеющее вяжущее, С – скорость средняя, Б – быстротвердеющие смеси.

Добавки в цементе также индексируются буквой Д и цифрами, отображающими процент содержания. Д0 – добавок нет, Д20 – в состав цемента включено 20% добавок, в результате чего вещество получается более пластичным. Общее правило такое: чем выше марка, тем больше прочность; чем выше процент добавок, тем эластичнее цемент (но при критичном содержании прочность может падать).

• М100, М200, М300 – производство разных элементов и изделий с нужными характеристиками.
• М400 – применяются при заливке сборного/монолитного железобетона.
• М500 – актуален для производства гидротехнических конструкций и плит, которые находятся в воде переменного уровня, для заливки бордюров и тротуаров, фундаментов всех видов.
• М600 – бетонирование сборных конструкций повышенного качества.
• М700 – работа с постройками, где отмечены высокие нагрузки и зоны напряжения.

Технические условия и области применения сульфатно-шлакового и известково-шлакового цемента

Сульфатно-шлаковый цемент отличаются тем, что совсем или почти не содержит дорогого портландцементного клинкера. Его изготовляют из доменных гранулированных шлаков с добавлением активаторов. Известково-шлаковый цемент получают совместным помолом или тщательным смешиванием молотой извести-кипелки или пушонки с размолотым в тонкий порошок гранулированным доменным шлаком

Сульфатно-шлаковые цементы

Размолотые основные шлаки, затворенные водой, твердеют, но очень медленно. Чтобы ускорить твердение, к шлаку добавляют 5—7%. (по весу) активаторов сульфатных (ангидрита, природного гипса и т. п.) и щелочных (обожженного до 800—900 доломита, до- 5% цементного клинкера).

При кислых шлаках добавляют до 20% активаторов. Сульфатно-шлаковый цемен называют еще шлаковый бесклинкерный. Он предложен П. П. Будниковым.
Технические условия и области применения данного цемента приблизительно те же, что и обыкновенного шлакопортландцемента.
К этой же группе цементов относится гипсошлаковый цемент вяжущее вещество, твердеющее в воде и во влажной среде, получаемое совместным тонким помолом доменного гранулированного шлака (80%), природного гипса или ангидрита (15%), извести (2—3%) или цементного клинкера (5%).

В зависимости от состава шлака получают цемент марок от 200 до 400 (в жестком растворе).
По прочности, скорости твердения и сцеплению со сталью этот цемент не уступает обыкновенному шлакопортландцементу. Сульфатно-шлаковый цемен также не оказывает корродирующего действия на сталь, вы деляет мало тепла при твердении и обладает высокой стойкостью по отношению к действию раствора сульфатов.

Этот цемент можно применять во всех случаях, когда используется обыкновенный шлакопортландцемент, в том числе в железобетоне (если марка цемента не ниже 250) и в гидротехнических сооружениях, находящихся в пресных и агрессивных сульфатных водах.

Известково-шлаковый цемент

В зависимости от состава и свойств шлака берут 8—25% молотой извести-кипелки от веса цемента. Чтобы повысить прочность цемента, вводят до 5% двуводного гипса.
Для изготовления этого цемента пригодны основные и кислые (глиноземистые) доменные гранулированные шлаки.
Известково-шлаковый цемент медленно схватывается: начало схватывания наступает обычно через 5—6 час, конец — через 12— 30 час. Предел прочности при сжатии в растворе пластичной консистенции состава 1 :3 к 28 дням может быть от 25 до 100 кг/см2.

Цемент марки 100 применяют так же, как обыкновенный шлакопортландцемент.
Известково-шлаковый цемент твердеет преимущественно в воде или во влажной среде; при твердении в сухой среде этот цемент имеет более низкую прочность. После затвердевания известково-шлаковый цемент обладает стойкостью по отношению к действию минерализованных вод, удовлетворительными морозостойкостью и воздухостойкостью.

Технические показатели

По ГОСТ 31108–2003 пуццолановый портландцемент имеет следующие характеристики, приведённые в таблице:

Пуццолановый портландцемент

Пуццолановый портландцемент относится к группе сульфатостойких цементов. Технология сульфатостойких цементов отличается от обычной: во-первых, при помоле в портландцементный клинкер вводят активную минеральную добавку в намного большем количестве, чем в обычный ПЦ. Процент этой добавки определяется в зависимости от ее вида (это могут быть трассовые вещества и минеральные гидравлические вяжущие). На упаковке цемента всегда есть сведения о добавке и ее проценте: например, ДО 20 – этот цемент «почти» бездобавочный. Трепел, опока, диатомит добавляются в цементы в малых количествах, поскольку этим добавкам свойственна не только высокая гидравлическая активность, но и повышенная потребность в воде затворения, в результате чего готовая бетонная смесь будет иметь густоту выше нормы, что делает укладку сложной и может привести к снижению качества бетонирования. А вот у трасса, туфа, пемзы и у всех остальных пуццоланов нет этих «побочных» эффектов, поэтому процент этих добавок в цемент может быть намного выше – до 40%. На упаковке цемента все это написано.

Пуццолановый портландцемент можно отличить даже визуально – порошок отличается светлым цветом, светлее чем обыкновенный цемент. Плотность пуццоланового ПЦ меньше – всего 2,8-2,9 т/м3. (Имеется в виду истинная плотность, без учета воздушных пор; для сравнения: истинная плотность портландцемента бездобавочного М500 равна 3,2 т/м3). Поэтому при одной и той же рецептуре смеси и количеству введенного в замес цемента бетон и раствор на пуццолановом ПЦ будет более плотным, выход смеси также будет больше – но и плотность получится слишком высокой, что препятствует эффективной укладке смеси.

К пуццолановым цементам требуется особый подход: их добавляют в растворы количественно больше по сравнению с обычными (расход цемента увеличивают на 5-10%), и/или вводят пластификатор для повышения удобоукладываемости смеси. Теперь о приятном: хотя первые трое-шесть суток твердения бетоны на пуццолановом ПЦ «отстают» от классических, не имеющих в своем составе гидравлической добавки, зато после полугода набора прочности в воде изделия приобретают прочность цементного камня, а их поверхность уже через 28 суток нормального твердения приобретает уникальные качества: не происходит выщелачивания в пресной воде, не наблюдается разрушений даже в жесткой минерализованной, агрессивной, сульфатной и морской воде. Таким образом, применение пуццоланового ПЦ и бетонов на его основе оптимально для конструкций, от которых требуется повышенная химико-физическая стойкость и возможен набор марочной прочности в воде и влажных средах. Одна из перспектив для пуццолановых цементов связана с развитием технологии экобетона.

Из истории пуццолановых добавок

Известковые растворы способны твердеть, поглощая диоксид углерода из воздуха, а без доступа воздуха твердение прекращается. В части прочности известковые штукатурки без добавок малостабильны, но добавка природного трасса резко меняет их химию и физику. Об этом знали еще в глубокой древности: ученые подтверждают невероятный исторический возраст первых известковых штукатурок — порядка 7,5 тысяч лет.

В измельченном вулканическом туфе содержится свободная кремниевая кислота и ряд минералов, а вода связана химически и физически. Добавка кремнеземистых веществ в бетон придает ему сульфатостойкость, но главное — позволяет строить и на земле, и под землей, и в воде. После добавки активного кремнезема известь способна твердеть без доступа воздуха, и даже под водой. Причем при контакте с водой содержащие трасс растворы твердеют и достигают марочной прочности еще быстрее чем на воздухе.

Трасс и пуццолана в древности

О том, что трасс, пемза, вулканический туф, в мелкоразмолотом виде добавленный к цементной строительной смеси, не только изменяет ее реологию, но и значительно повышает физическую прочность и стойкость в агрессивных средах, знали еще древние римляне. Древние водопроводы и мостовые акведуки были построены из бетона с трассовыми добавками, что дало конструкциям прочность в воздухе и в воде. Добавка трасса к известковому раствору включает сложную цепь химических процессов, в частности: известковый раствор с трассом способен затвердевать не только под действием воздуха, но и полностью погруженным в речную или морскую воду. О вредном воздействии сульфатов и солей на бетон (и о том, как быстро на бетонных конструкциях появляются высолы) — отдельная долгая тема.

Опыт римского бетона датируется первым веком до н.э. Тысячи лет развития технологии отделяют нас от Древней Греции, Финикии, Рима, но гидротехнические сооружения глубочайшей древности не только сохранились (фрагментами), но даже способны работать. А в древних «Справочниках Строителей» есть рекомендации о приготовлении вяжущего из извести, кирпичной муки и трасса. Древние славяне тоже знали об этом, и добавляли молотую обожженную глину в известь, чтобы добавить водостойкости известковым штукатуркам.

В 16 веке римские технологии уже стали повсеместными, а в Европе пуццолану стали звать трассом. Добавляли трасс с той же целью — чтобы бетонные строения стали прочнее и не боялись воды, а название «трасс» историки относят к цементным полам террацо, пришедшим из Италии и также имеющим в корне латинское «терра» – земля.

Современное применение трасса

Трасс в наше время добывают во многих странах: в Германии – берега Рейна и поныне славятся залежами трасса, вулканическая зона добычи известна с глубокой древности и до сих пор не исчерпана. Залежи трасса на Рейне очень мощные, порядка нескольких десятков метров и при этом поверхностные, и разрабатываются открытым способом.

Трасс может храниться сколько угодно, но при добавке в бетонную смесь, где присутствует цемент, вода и гидравлическая известь, начинается реакция, одним из процессов которой является связывание извести и рост плотных молекулярных оболочек на ее частицах. Еще один нюанс: набор прочности трассосодержащего бетона отличается от обычного – график плавнее и медленнее, а это значит, что опасные для массива внутренние напряжения не появятся. Химия трассосодержащих растворов очень сложна и ее нюансы не так уж важны для частного строителя. А вот в современных бетонах мастера разбираются, и покупают цемент с нужным составом: поскольку от фундамента (особенно при высоком УГВ), от эко-парковки или садовой дорожки требуется повышенная стойкость к воде, то практично применить трассосодержащий цементный продукт.