КИНЕТИКА ПОМОЛА ЦЕМЕНТНОГО КЛИНКЕРА
Цементный клинкер измельчают до высокой удельной поверхности, так как от его дисперсности зависит качество цемента. Кроме того, для улучшения процесса твердения и обеспечения высокой прочности цементного камня необходимо регулировать гранулометрический состав вяжущего материала.
Наиболее благоприятными для получения прочного цементного камня являются фракции размерами 3—30 мкм. Фракция менее 3 мкм существенно влияет только на прочность цементного камня в наиболее ранние сроки твердения. Быстро гидратируясь, она дает максимальную прочность цементного камня уже через 1 сутки. В то же время крупные фракции, особенно более 60 мкм, гидратируются чрезвычайно медленно и почти не влияют на прочность цементного камни. Таким образом, чем выше содержание в цементе фрикций 3—30 мкм, тем более высокое качество вяжущего. В обычных цементах содержание данной фракции не превышает 40—50 %, в высокомарочных — 55—65, а в особо прочных составляет свыше 70 %.
Исследования показывают, что удельная поверхность цемента определяется его гранулометрическим составом: с увеличением размеров частиц она резко уменьшается. Существует, однако, оптимальный размер удельной поверхности, превышение которого не приводит к увеличению прочности цементного камня, а даже снижает ее. Это значение соответствует размеру 450—500 м2/кг.
Разработаны графические зависимости, позволяющие приближенно определять удельную поверхность по известному гранулометрическому составу и наоборот. В качестве вспомогательного средства имеются также графики для приближенного определения удельной поверхности по-известным остаткам на сите № 008 [1].
Процесс помола цементного клинкера характеризуется наличием трех этапов. На 1 этапе происходит раскрытие крупных и мелких пор, измельчение вещества на отдельные кристаллы. Сопротивляемость размолу невелика и зависит в основном от пористости гранул. Удельная поверхность растет пропорционально расходу электроэнергии (рис. 5.1). При дальнейшем разрушении клинкера количество дефектов структуры значительно уменьшается, сопротивляемость клинкера размолу возрастает и для дробления отдельных кристаллов требуется значительно большая затрата энергии. На данном этапе работа разрушения зависит от микроструктуры и фазового состава клинкера. Рост удельной поверхности замедляется, однако прямолинейная зависимость расхода электроэнергии от прироста удельной поверхности сохраняется. На 3 этапе процесу измельчения отдельных кристаллов сопутствуют явления налипания и агрегирования. Эта стадия характеризуется экспоненциальным ростом сопротивления размолу.
Снижение энергии удара мелющих тел, расход энергии на дополнительное измельчение вновь агрегированных частиц цемента, на пластические необратимые деформации налипшего слоя, увеличение количества работы на трение приводят к снижению производительности мельниц на 20—25 %, к повышению температуры внутри их.
При тонком помоле явления налипания и агрегирования могут привести к прекращению роста удельной поверхности или даже к ее уменьшению. Вся энергия, затрачиваемая на измельчение, идет на образование агрегатов.
Существуют различные теории, объясняющие явления налипания и агрегирования. Наиболее широкое распространение получила электростатическая теория двойного электрического слоя, согласно которой при помоле цемента наблюдается явление контактной электризации. Происходит разрыв двойного электрического слоя на границе цементной частицы, в результате чего частицы цемента приобретают электрический заряд, имеет место притяжение противоположно заряженных поверхностей, частички агрегируют и ведут себя как одно целое. Мелющие тела при соприкосновении с заряженными частицами диспергируемого цемента приобретают заряд противоположного знака, происходит налипание.