В этой статье мы рассмотрим, как с помощью аппаратов вихревого слоя осуществляется помол цемента, активация цемента, производство микроцемента и сухих строительных смесей.

Цемент – наиболее дорогостоящая часть бетона, которая во многом определяет качество бетонных изделий, а также надежность и долговечность конструкций, возведенных на их основе. Однако, в большинстве случаев потенциал вяжущих свойств цемента используется не полностью, что приводит к дополнительным финансовым затратам и снижению качества строительных материалов. Это обусловлено двумя факторами:

• отдельные частицы цемента (размером 70 мкм и более) участвуют в процессе гидратации не в полной мере. В среднем количество непрогидратированного цемента достигает 20-25%;
• при хранении на протяжении месяца цемент может терять до 15% своей активности вследствие поглощения влаги из воздуха (образуется так называемый «лежалый» цемент).

Повысить эффективность и снизить расход вяжущего вещества можно путем увеличения тонкости помола, оптимизации гранулометрического состава и изменения формы частичек порошка. В случае «лежалых» цементов необходима активация, которая позволяет восстановить исходную марку вяжущего. Доизмельченный и активированный цемент характеризуется ускоренной гидратацией и быстрым ростом прочности.

Активация цемента – основные способы

Активация цемента может осуществляться двумя способами:

• механический;
• химический.

При механической активации используются специальные диспергаторы (измельчители) или цементная мельница. Часто это достаточно габаритные устройства, работа которых сопровождается высоким уровнем шума и большим потреблением электроэнергии. Есть вопросы и по производительности. Например, производительность шаровой мельницы быстро падает при получении цемента с удельной поверхностью выше 2500 см²/г.

Химическая активация предусматривает введение специальных добавок, которые выступают для частичек цемента в качестве «щита», защищающего от воздействия влаги. В этой статье мы уделим внимание механоактивации.

Помол цемента с помощью аппарата вихревого слоя

Одним из перспективных путей повышения эффективности цементов может быть использование энергии электромагнитных полей и, в частности, аппаратов с вихревым слоем ферромагнитных частиц (рисунок 1).

Рисунок 1 – Аппарат с вихревым слоем ферромагнитных частиц (АВС): 1 – защитная втулка; 2 – индуктор вращающегося электромагнитного поля; 3 – корпус индуктора; 4 – рабочая камера из немагнитного материала; 5 – ферромагнитные частицы

Конструктивно аппарат аналогичен асинхронному двигателю с извлеченным ротором, на месте которого располагается рабочая камера из немагнитного материала 4. Для создания вращающегося электромагнитного поля используется индуктор 2. Само поле замыкается в области рабочей зоны аппарата, ограниченной корпусом 3. Обрабатываемый материал подается в рабочую камеру, где также находятся частицы 5, изготовленные из ферромагнитного материала.

Под воздействием вращающегося электромагнитного поля ферромагнитные частицы приходят в движение по сложным траекториям, создавая своеобразный вихревой слой. В этом слое и происходит интенсивное перемешивание и измельчение цемента с одновременным влиянием на него электромагнитного поля и локального высокого давления. Воздействие на цемент обеспечивается не за счет свободного удара, а за счет стесненного соударения между ферромагнитными частицами и частицами со стенкой камеры. Поверхности контакта при ударе достаточно малы, а сама точка удара имеет случайное положение относительно оси симметрии сталкивающихся ферромагнитных частиц. Поэтому даже при относительно небольших скоростях развиваются очень большие усилия. Кроме того, количество и частота ударов между частицами весьма большие.   Параметры частиц (длина, диаметр и их соотношение), а также коэффициент заполнения рабочей камеры подбирается опытным путем, исходя из вида обрабатываемого вещества.

Активация и помол цемента – результаты эксперимента

Первым для активации цемента АВС применил его разработчик Д. Логвиненко. В частности, он исследовал, как меняется удельная поверхность вяжущего вещества в зависимости от длительности обработки в аппарате. Было установлено, что после десяти минут обработки этот параметр увеличился с 3080 до 4965 см²/г, после двадцати минут – до 5477 см²/г и после тридцати минут – до 6724 см²/г.

Нами была поставлена задача исследования свойств бетона (способность выдерживать высокие динамические и вибрационные нагрузки), изготовленного на основе «слежавшегося» цемента и этого же цемента, но прошедшего обработку в АВС. Для обработки был взят цемент марки CEM I 32,5 R с тонкостью помола 80 мкм и включением грудок большого размера, которые образовались в результате длительного хранения.

Рисунок 2 – Исходный «слежавшийся» цемент

Помол цемента проходил в аппарате вихревого слоя типа АВС-100 производства GlobeCore на протяжении 30 минут с использованием стальных ферромагнитных частиц. После измельчения тонкость помола цемента составила 5-10 мкм.

Для проведения испытаний были изготовлены образцы в форме прямоугольного параллелепипеда с размерами 0,04 м х 0,04 м х 0,16 м (рисунок 3).

Рисунок 3 – Исследуемый образец после проведения испытаний

Для приготовления раствора использовался цемент CEM I 32,5 R, стандартный многофракционный песок и вода (в соотношении вода к цементу 0,4).

Таблица 1 – Результаты испытаний образцов на изгиб и сжатие

Материал	Предел прочности при изгибе, МПа		Предел прочности при сжатии (на 28-е сутки), МПа
	На 8-е сутки	На 28-е сутки
Исходный цемент	2,83	4,86	14,51
Цемент, обработанный в аппарате АВС-100	3,73	6,08	42,66

Как видно из таблицы, предел прочности образцов при изгибе уже на 8-е сутки увеличился на 30% при обработке цемента в АВС. Предел прочности при сжатии образцов, изготовленных на основе цемента, прошедшего доизмельчение и активацию в АВС, увеличился в 2,9 раза.

Таким образом, применение АВС позволяет экономить цемент и тратить при этом меньше электроэнергии. Эффект экономии электроэнергии объясняется тем, что затрачивая относительно небольшую мощность, можно получить несколько десятков или сотен измельчителей, ведь, по сути, каждая ферромагнитная частица при движении в вихревом слое является мини-измельчителем.

В технологическом процессе производства бетона АВС также может применяться для магнитной активации воды (без ферромагнитных частиц),  активации песка, а также совместной обработки смеси песка и цемента с целью получения активированных компонентов для приготовления раствора. Аппараты без больших усилий и затрат встраиваются в уже существующие технологические линии, поэтому могут использоваться для модернизации действующих производств.

Полученные результаты и особенности работы АВС свидетельствуют о том, что аппарат может реализовать не только помол цемента, но и быть эффективным при производстве микроцемента и cухих строительных смесей.

Производство микроцемента

Микроцемент – относительно новый материал. В его основе лежит цемент, но более мелкого помола, чем обычный строительный, а также полимерные добавки, кварц и цветовые пигменты. Благодаря мельчайшему размеру зерен, высокой текучести и низкой вязкости в растворах с водой, микроцемент способен проникать даже в самые маленькие трещины и поры, заполнять пространства между зернами горных пород и минералов. А высокая прочность и адгезия позволяют применять микроцемент для отделки любых твердых поверхностей при внутренних и наружных работах. Микроцемент делает строительные конструкции более прочными и долговечными, а обработанные поверхности –водонепроницаемыми.

Основная характеристика микроцемента – тонкость помола, которая имеет основное значение при твердении в первые минуты и часы схватывания. И далеко не все промышленные мельницы могут обеспечить размер частиц на уровне 5-15 микрон, затратив при этом не много электроэнергии.

Помольные комплексы на основе аппаратов вихревого слоя АВС компании GlobeCore справляется с этой задачей. Процесс производства микроцемента на таких помольных комплексах начинается с предварительного смешивания исходных компонентов, после чего полученная смесь поступает в рабочую камеру аппарата вихревого слоя (рисунок 4). Там частицы продукта измельчаются под воздействием стальных иголок, которые движутся по сложным траекториям и приводятся в движение с помощью электромагнитного поля.  С выхода рабочей камеры измельченный продукт поступает на вибросито, где просеивается, а более крупные частицы, размер которых не соответствует требованиям, поступают назад в рабочую камеру аппарата вихревого слоя на доизмельчение.

Рисунок 4 – Помольный комплекс для производства микроцемента

В результате на выходе помольного комплекса получается микроцемент необходимой степени дисперсности, который полностью готов к расфасовке.

Помольные комплексы для производства микроцемента на базе аппаратов вихревого слоя отличаются компактностью размеров, а сам аппарат выделяется небольшим потреблением электроэнергии в сравнении с традиционными мельницами, которое составляет всего 9,5 кВт.

Производство сухих строительных смесей

Обычно сухая строительная смесь состоит из вяжущего (цемента, извести или гипса), наполнителя (песка) и целевых добавок для регулирования свойств раствора. Все частицы компонентов смеси должны вступать в реакцию с водой, но на практике более крупные частицы так и остаются непрогидратированными.

Рисунок 5 – Компоненты строительной смеси

Поэтому оборудование для производства сухих строительных смесей должно решать несколько задач:

• при необходимости доизмельчать частицы исходных компонентов;
• активировать частицы исходных компонентов, то есть повышать их способность к вступлению в реакцию с водой;
• равномерно перемешивать компоненты до получения однородной смеси.

Все эти задачи можно решить с помощью одного устройства – аппарата вихревого слоя типа АВС.

Аппарат работает следующим образом. Исходные компоненты (вяжущее, наполнитель и добавки) в заданном соотношении одновременно подаются в рабочую камеру. За счет комплексного воздействия вращающегося электромагнитного поля и ударных воздействий ферромагнитных частиц осуществляется не только доизмельчение, но и активация компонентов. При этом активация происходит даже тогда, когда размеры частиц вещества остаются неизменными.

Во время движений и соударений каждая иголка становится не только измельчителем, но и мини-мешалкой, обеспечивая также равномерное перемешивание и распределение компонентов, поэтому на выходе из рабочей камеры образуется уже готовая к расфасовке строительная смесь.

Применение аппаратов вихревого слоя позволяет наладить непрерывное производство сухих строительных смесей, сократить расход электроэнергии и сэкономить деньги за счет частичной замены вяжущего активированным наполнителем без ущерба для надежности строительных конструкций.