Влияние технологии помола на свойства цемента

В производстве цемента важную роль играет выбор технологии помола. От этого напрямую зависят эксплуатационные характеристики конечного продукта. Задача технологов состоит в том, чтобы подобрать оптимальный режим измельчения, который обеспечит требуемый баланс между ранней и поздней прочностью, водопотреблением и другими важными свойствами цементного состава.

Способы помола цемента

В мировой практике применяются различные способы помола:

• двухкамерные шаровые мельницы, работающие в замкнутом цикле с высокоэффективным сепаратором
• вертикальные роликовые мельницы
• системы помола с валковыми прессами

Каждый из этих подходов имеет свои особенности, влияющие на распределение частиц по размерам, степень дегидратации гипса, энергозатраты и другие параметры.

Помол цемента в шаровых мельницах

Наиболее распространённым способом помола цемента по-прежнему остаётся двухкамерная шаровая мельница, работающая в замкнутом цикле с высокоэффективным сепаратором. В шаровых мельницах на сырье оказываются ударные и истирающие нагрузки. При этом время нахождения материала в цикле помола может достигать нескольких десятков минут. Регулируя силу воздушного потока, проходящего через мельницу, можно добиться широкого распределения частиц цемента по физическим размерам, что положительно сказывается на потребительских свойствах.

К плюсам помола в шаровых мельницах можно отнести следующее:

Система отработана десятилетиями

Шаровые мельницы позволяют достигать приемлемых и стабильных качественных параметров продукта с помощью большого количества регулируемых параметров работы системы — в частности, за счёт настройки скорости вращения мельницы, загрузки мелющих тел, режима аспирации и характеристик работы сепаратора.

Терпимость к влажности материалов

Шаровые мельницы относительно терпимы к влажности подаваемых материалов: высвобождаемая в процессе помола энергия, которая образуется за счёт трения и ударов, способствует испарению лишней влаги, что снижает потребность в предварительной сушке сырья, но не исключает ее.

Ремонтопригодность мельницы

Высокая ремонтопригодность и доступность запчастей: конструкция мельницы достаточно унифицирована, а такие элементы, как бронефутровка, межкамерная ерегородка и мелющие тела, производятся массово и легко заменяются; кроме того, наработана обширная практика обслуживания и ремонта такого оборудования.

К минусам помола в шаровых мельницах можно отнести следующее:

Высокое энергопотребление

Удельный расход электроэнергии на помол достигает 30–40 кВт·ч/т в замкнутом цикле и ещё выше в открытом, что делает эту стадию одной из самых энергоёмких в производстве цемента.

Нагрев готового продукта

В таком случае возможна дегидратация гипса: температура цемента на выходе может превышать 100°C, из-за чего двуводный гипс может переходить в полуводную форму — это провоцирует ложное схватывание и ухудшает реологические свойства цементного теста. За температурой нужно внимательно следить.

Громоздкое оборудование

Оно состоит из мельницы, сепаратора, элеваторов и системы фильтрации: это требует значительных производственных площадей и усложняет компоновку цеха, а также увеличивает капитальные затраты на строительство и монтаж.

Недостаточный контроль гранулометрии

В шаровой мельнице сложно влиять на конечную гранулометрию цемента при помоле с минеральными добавками: различия в твёрдости и размолоспособности компонентов (например, клинкер, шлак или известняк) приводят к неоднородному измельчению и затрудняют получение проектируемого фракционного состава.

Помол цемента в вертикальных роликовых мельницах

Вертикальные роликовые мельницы уже несколько десятилетий активно используют для помола различного сырья благодаря их высокой эффективности. Однако их внедрение для помола цемента произошло только в 1990-е годы. Изначально эти системы характеризовались резко выраженной однородностью получаемых фракций, что негативно сказывалось на качестве цемента.

Но современные вертикальные роликовые мельницы позволяют получать распределение размера частиц, сопоставимое с результатами помола в шаровых мельницах, и в настоящее время вертикальные роликовые мельницы широко применяются в мировой практике для финишного помола. В вертикальной мельнице нет ударных нагрузок. Здесь помол происходит преимущественно за счёт совместного действия раздавливающих и истирающих усилий со значительно меньшим временем нахождения материала в цикле помола, не превышающим нескольких минут.

К плюсам помола в вертикальных мельницах можно отнести следующее:

Материал меньше нагревается

Влияние способа помола не ограничивается только распределением частиц по размерам — оно также затрагивает процесс дегидратации гипса. В системах с вертикальными роликовыми мельницами время пребывания материала в технологическом цикле меньше, избыточного тепла от работы мелющих тел значительно меньше, поэтому необходимая температура в системе поддерживается за счет внешнего теплогенератора. Как следствие, степень дегидратации гипса в таких системах возможно контролировать, что значительно сложнее сделать в системах с шаровыми мельницами. Контроль температуры необходим для контроля содержания полугидратов гипса, влияющий на стабильность качественных характеристик цемента при хранении. Температура цемента на выходе обычно не превышает 80–90 °C, благодаря чему сохраняется стабильная форма гипса и исключается риск ложного схватывания, а параметры влажности и температуры легко регулируются изменением подачи горячего воздуха и скорости вращения стола.

Низкое энергопотребление

По сравнению с шаровыми мельницами удельный расход электроэнергии снижается на 20–40 %, что существенно сокращает эксплуатационные издержки; при этом высокая степень рекуперации тепла в системе вентиляции дополнительно повышает общую энергоэффективность процесса.

Компактность установки

У этой мельницы меньшие требования к производственным площадям: вертикальная компоновка позволяет разместить мельницу, систему сепарации и пылеудаления на ограниченной площади.

Снижение износа оборудования

Рабочие поверхности валков и стола имеют износостойкую бронефутеровку, а принцип раздавливания вместо ударного воздействия снижает абразивный износ; в результате межремонтный интервал значительно увеличивается, а объём расходных материалов сокращается.

К минусам помола в вертикальных мельницах можно отнести следующее:

Концентрированное распределение частиц

В этом случае более концентрированное распределение частиц по размерам готового продукта, что может влиять на реологические свойства получаемых бетонных смесей, а также кинетику набора прочности цементного камня, требуя корректировки состава или введения добавок.

Необходимость дополнительной подачи тепла

Для поддержания стабильной работы мельницы и обеспечения требуемой влажности материала требуется постоянный подвод горячего воздуха, что усложняет тепловую схему цеха и увеличивает зависимость от работы теплогенераторов.

Дорогой ремонт

Высокая стоимость запасных частей и сложность обслуживания: изнашиваемые элементы (сегменты стола, валков, уплотнения) изготавливаются из специальных сплавов и требуют точной установки, а регламентные работы предполагают использование специализированного инструмента и квалифицированного персонала, что повышает стоимость жизненного цикла оборудования.

Помол цемента с использованием валковых прессов

Финишный помол с использованием валковых прессов приводит к очень узкому распределению частиц по размерам. Это значит, что в полученном продукте преобладают зёрна примерно одинаковой величины, а доля частиц заметно меньшего или большего размера оказывается существенно ниже. Из-за этого применение таких систем финишного помола пока ограничено с точки зрения качества цемента. Но такие системы помола отлично подходят для подготовки сырья, в том числе в сочетании с шаровыми мельницами.

На что влияет тонкость помола портландцемента

Удельная поверхность клинкерных минералов имеет решающее значение для кинетики набора прочности, поскольку реакции гидратации начинаются с поверхности частиц клинкера. Высокие классы прочности цементов, при прочих равных условиях, обычно достигаются за счёт увеличения тонкости помола, которая в целом находится в довольно широком диапазоне 2500–5000 см²/г.

Влияние тонкости помола на свойства цемента можно обобщить следующим образом:

• ранняя прочность значительно возрастает с увеличением тонкости помола;
• влияние на прочность в возрасте 28 дней менее выражено;
• при тонкости помола выше 3000 см2/г увеличивается водопотребление, которое растет вслед за дальнейшим увеличением удельной поверхности;
• склонность к водоотделению снижается с увеличением тонкости помола.

Фракция частиц цемента размером менее 8 мкм играет ключевую роль в раннем наборе прочности цементного камня. Эти мелкие частицы обеспечивают большую удельную поверхность, что способствует более эффективному взаимодействию с водой и химическими компонентами, ускоряя процессы гидратации и образования кристаллогидратов. С увеличением возраста цементного камня прочность зависит от более крупных частиц, которые формируют более прочные и стабильные связи. Так для возраста цементного камня 28 суток прочности определяются преимущественно частицами с размером 8-24 мкм. Таким образом, зная заранее распределение частиц по размерам, можно прогнозировать значения прочностей на разных периодах формирования цементного камня. Это позволяет оптимизировать состав цемента и технологические параметры его производства для достижения желаемых прочностных характеристик в заданные сроки.

Так же оптимальное распределение частиц цемента для большинства строительных задач имеет особое значение с точки зрения удобоукладываемости. Цементы с распределением частиц, смещенным в более мелкие фракции, но имеющие ту же удельную поверхность склонны к повышенному водопотреблению и ускоренной потере удобоукладываемости.

Помол цементов с минеральными добавками

Эффективность композицитных цементов зависит от соотношения компонентов и их качества, тонкости помола и распределения размеров частиц отдельных составляющих, а также общего вещественного состава цемента. Оптимальные характеристики цемента достигаются только в том случае, если тонкость помола и гранулометрия отдельных компонентов находятся в оптимальном диапазоне.

Тонкость помола и гранулометрия цемента предопределяются выбранной технологией помола и зависит от способности отдельных компонентов цемента к измельчению.

Модель RRSB

Чтобы описать, как в цементе распределены частицы разного размера, то есть его «дисперсные характеристики», лучше всего использовать специальную математическую модель — функцию Розина-Раммлера-Шперлинга-Беннета (RRSB). Эта модель учитывает всего два ключевых параметра, которые полностью характеризуют распределение частиц:

x′ — характеристический размер

Он показывает, насколько тонко помолот цемент. Это как «средний размер» частиц: чем меньше значение x′, тем мельче частицы и тем больше в цементе тонких фракций. Если x′ маленький — значит, цемент тонко помолот, и мелких частиц много.

n — индекс однородности

Индекс однородности (или коэффициент равномерности) описывает, насколько однородны по размеру частицы в цементе. Это параметр, который можно представить как тангенс угла наклона прямой, построенной на графике распределения частиц по размерам. Если n высокий, то большинство частиц примерно одного размера, распределение «узкое» (однородное). Если n низкий, то частицы сильно отличаются по размеру, распределение «широкое» (неоднородное).

Как с этим работать?

Зная эти два параметра (x′ и n), можно рассчитать, сколько в цементе частиц любого размера — то есть построить полную «картину» его гранулометрического состава. Это важно для контроля качества цемента и его свойств.

Совместный помол

При совместном помоле клинкера с минеральными добавками невозможно контролировать распределение частиц по размерам для каждого компонента отдельно. Это приводит к тому, что характеристики помола отдельных составляющих влияют на распределение частиц в конечном продукте — цементе.

Цементы с мягкими материалами

При совместном помоле цементы, содержащие более мягкие материалы, чем клинкер — например, пуццолана, известняк, — имеют более широкое распределение частиц по размерам. Происходит неравномерное распределение мягких и твёрдых материалов. Клинкер в этом случае всегда концентрируется в крупной фракции, из-за чего его потенциал ранней прочности не может быть полностью реализован.

Цементы с добавлением твердых материалов

Добавление более твёрдых материалов при совместном помоле — например, гранулированного доменного шлака — приводит к несколько более грубому размеру частиц по сравнению с помолом только клинкера, несмотря на худшую измельчаемость этих материалов. В шлаковых цементах клинкер концентрируется в мелкой фракции.

Раздельный помол

Системы раздельного помола обеспечивают более высокую гибкость по сравнению с совместным помолом. Это позволяет точно настраивать качество цемента, в частности:

• регулировать скорость и продолжительность набора прочности
• улучшать реологические свойства цементосодержащих продуктов, такие как перекачиваемость, гомогенность смесей, снижение усадок и т.д.
• регулировать водопотребность
• регулировать устойчивость к агрессивным средам

Оптимальная тонкость помола материалов

Цементы с высоким содержанием минеральных добавок содержат меньше клинкера, чем цементы без добавок. Для сохранения динамики набора прочности, в особенности на ранних стадиях, нужно добиваться более высокой тонкости помола.

Чтобы цемент обладал конкурентноспособными потребительскими свойствами, важно правильно подобрать размеры частиц всех компонентов, выстроить гранулометрию:

• Клинкер следует измельчать до высокой тонкости помола: мелкие частицы клинкера в основном отвечают за раннюю прочность, что позволяет максимально использовать потенциал прочности клинкера.
• Частицы минеральных добавок должны быть крупнее клинкера и иметь более широкое распределение размеров частиц.
• Однако тонкость помола минеральных добавок должна быть достаточно высокой, чтобы обеспечить активацию и вклад в позднюю прочность.

Для очень активных минеральных добавок, например, доменного гранулированного шлака, полезна высокая тонкость помола с точки зрения набора прочности.

• Распределение размеров частиц клинкера и минеральных добавок должны дополнять друг друга, обеспечивая оптимальную гранулометрию для цемента в целом.

Цементы с доменным гранулированным шлаком

Технология раздельного помола позволяет улучшить набор прочности цементов с доменным гранулированным шлаком. Ранняя прочность таких цементов определяется тонкостью помола клинкера, а поздняя прочность зависит от тонкости помола шлака.

Некоторые виды доменного гранулированного шлака могут вносить вклад и в раннюю прочность — при условии очень тонкого помола. Активация доменного гранулированного шлака за счёт сверхтонкого помола — до тонкости порядка 5000 см²/г — может быть перспективной с точки зрения улучшения ранней прочности, хотя и сопряжена с высокими энергозатратами.

Положительный эффект также наблюдается при фракционировании доменного гранулированного шлака на очень мелкую и крупную фракции: это позволяет значительно повысить раннюю прочность при сохранении высокого уровня поздней прочности.

Цементы с золой-уноса

Зола-уноса изначально имеет тонкость, близкую к цементу. Так что, если зола имеет достаточную тонкость помола, наиболее подходящим способом производства цемента с ней добавление золы в сепаратор. Помол требуется только для крупнозернистой золы, но даже для мелкой золы он может быть полезен. Помол золы-уноса приводит к определённой активации за счёт разрушения частиц избыточного размера. При этом сферы золы не разрушаются в процессе помола, что в свою очередь положительно сказывается на удобоукладываемости.

В классическом понимании технология раздельного помола зола-уноса не популярна, однако из исследований, проведённых FLSmidth (ранее FLSmidth & Co. A/S), можно сделать вывод, что некоторый потенциал настройки поздней прочности за счёт раздельного помола у золы-уноса есть.

Пуццолановые цементы

При совместном помоле пуццолановых цементов клинкер остаётся относительно крупным, а пуццолан перемалывается сверх меры. Так что для пуццолановых цементов раздельный помол даёт потенциал улучшения характеристик цемента. Независимый контроль тонкости помола клинкера и пуццоланы позволяет адаптировать набор прочности с акцентом на повышение ранней и снижение поздней прочности.

Цементы с известняком

Известняк в составе цемента выполняет преимущественно физическую, а не химическую функцию. Его ключевая задача — улучшение удобоукладываемости бетонной смеси за счёт заполнения пространства между зёрнами клинкера и оптимизации зернового состава. Несмотря на то, что сам по себе известняк не увеличивает раннюю прочность цементного камня, его присутствие оказывает косвенное положительное влияние на начальные стадии твердения:

• Ускорение гидратации алитовой (C₃S) и алюминатной (C₃A) фаз за счёт повышенной дисперсности частиц известняка. Тонкодисперсные частицы известняка улучшают взаимодействие между клинкерными минералами и водой.
• Уплотнение структуры цементного теста. Частицы известняка заполняют микропространства между зёрнами клинкера, что способствует более равномерному распределению воды, интенсификации начальных процессов гидратации, а также формированию более плотной начальной структуры цементного камня.
• Образование новых соединений. При взаимодействии с алюминатной фазой (C₃A) известняк формирует гидрокарбонат кальция (3CaO·Al₂O₃·CaCO₃·12H₂O), конкурируя с гипсом. Это влияет на динамику образования эттрингита и других гидратных фаз.

Важно не забывать особенности работы с известняком при разных типах помола:

• При совместном помоле из-за меньшей твёрдости известняк измельчается интенсивнее, чем клинкер, и это приводит к неравномерному распределению компонентов.
• При раздельном помоле можно лучше контролировать гранулометрию каждого компонента, но это не меняет принципиального влияния известняка на свойства цемента.

Для цементов с известняком предпочтительно широкое распределение частиц известняка по размерам, а не концентрация в крупных фракциях («эффект наполнителя»). Это обеспечивает лучшую пластичность и однородность бетонной смеси, снижение риска расслоения при транспортировке и укладке, а также оптимальное заполнение пространства.

Преимущества технологии раздельного помола для производителей бетона

Стабильный и предсказуемый набор прочности

Точное управление гранулометрией позволяет заранее «закладывать» нужные темпы твердения — как на ранних, так и на поздних сроках. Это особенно важно при производстве преднапряжённых конструкций, быстровозводимых объектов, инфраструктурного бетона.

Улучшение технологических свойств смесей

Оптимизированное распределение частиц снижает водоотделение, повышает пластичность и однородность, уменьшает риск расслоения при транспортировке и укладке. Результат — более удобная работа со смесью, сокращение количества брака.

Повышение долговечности бетонных конструкций

Плотная структура, сформированная за счёт оптимального гранулометрического состава, улучшает водонепроницаемость, морозостойкость, сопротивление коррозии и истиранию. Это продлевает срок службы объектов и сокращает затрат на ремонт.

Гибкость в проектировании составов

Возможность комбинировать цементы с разной гранулометрией и минеральным составом позволяет адаптировать бетон под конкретные условия эксплуатации — агрессивные среды, сейсмические районы, мосты, гидротехнические сооружения и т.д.

Экологические выгоды

Использование цементов с повышенным содержанием шлака, золы-уноса и других вторичных материалов снижает углеродный след и нагрузку на окружающую среду, что важно для «зелёного» строительства.

Семен Спиридонов технический эксперт компании ЦЕМЕНТУМ