У цій статті ми розглянемо, як за допомогою апаратів вихрового шару здійснюється помел цементу, активація цементу, виробництво мікроцементу та сухих будівельних сумішей.

Цемент – найбільш дороговартісна частина бетону, яка значною мірою визначає якість бетонних виробів, а також надійність і довговічність конструкцій, зведених на їх основі. Однак у більшості випадків потенціал в’язких властивостей цементу використовується не повністю, що призводить до додаткових фінансових витрат і зниження якості будівельних матеріалів. Це зумовлено двома факторами:

• окремі частинки цементу (розміром 70 мкм і більше) беруть участь у процесі гідратації не повною мірою. У середньому кількість непрогідратованого цементу досягає 20-25%;
• при зберіганні протягом місяця цемент може втрачати до 15% своєї активності внаслідок поглинання вологи з повітря (утворюється так званий «лежалий» цемент).

Підвищити ефективність і знизити витрати в’язкої речовини можна шляхом збільшення тонкості помелу, оптимізації гранулометричного складу та зміни форми частинок порошку. У випадку «лежалих» цементів необхідна активація, яка дозволяє відновити початкову марку в’язкої речовини. Додатково подрібнений і активований цемент характеризується прискореною гідратацією та швидким зростанням міцності.

Активація цементу – основні способи

Активація цементу може здійснюватися двома способами:

• механічний;
• хімічний.

При механічній активації використовуються спеціальні диспергатори (подрібнювачі) або цементний млин. Часто це досить габаритні пристрої, робота яких супроводжується високим рівнем шуму і великим споживанням електроенергії. Є питання і щодо продуктивності. Наприклад, продуктивність кульового млина швидко падає при отриманні цементу зі специфічною поверхнею понад 2500 см²/г.

Хімічна активація передбачає введення спеціальних добавок, які виступають для частинок цементу в якості «щита», що захищає від впливу вологи. У цій статті ми приділимо увагу механоактивації.

Помел цементу за допомогою апарата вихрового шару

Одним із перспективних шляхів підвищення ефективності цементів може бути використання енергії електромагнітних полів, і зокрема апаратів з вихровим шаром феромагнітних частинок (рисунок 1).

Рисунок 1 – Апарат з вихровим шаром феромагнітних частинок (АВС): 1 – захисна втулка; 2 – індуктор обертового електромагнітного поля; 3 – корпус індуктора; 4 – робоча камера з немагнітного матеріалу; 5 – феромагнітні частинки.

Конструктивно апарат аналогічний асинхронному двигуну з вилученим ротором, на місці якого розташована робоча камера з немагнітного матеріалу 4. Для створення обертового електромагнітного поля використовується індуктор 2. Саме поле замикається в області робочої зони апарата, обмеженої корпусом 3. Оброблюваний матеріал подається в робочу камеру, де також знаходяться частинки 5, виготовлені з феромагнітного матеріалу.

Під впливом обертового електромагнітного поля феромагнітні частинки приходять у рух по складних траєкторіях, створюючи своєрідний вихровий шар. У цьому шарі і відбувається інтенсивне перемішування та подрібнення цементу з одночасним впливом на нього електромагнітного поля і локального високого тиску. Вплив на цемент забезпечується не за рахунок вільного удару, а за рахунок стесненого зіткнення між феромагнітними частинками та частинками зі стінкою камери. Поверхні контакту при ударі досить малі, а сама точка удару має випадкове положення щодо осі симетрії зіткнутих феромагнітних частинок. Тому навіть при відносно невеликих швидкостях розвиваються дуже великі зусилля. Крім того, кількість і частота ударів між частинками є значними. Параметри частинок (довжина, діаметр та їх співвідношення), а також коефіцієнт заповнення робочої камери підбираються дослідним шляхом, виходячи з виду оброблюваної речовини.

Активація і помел цементу – результати експерименту

Першим для активації цементу АВС застосував його розробник Д. Логвиненко. Зокрема, він досліджував, як змінюється питома поверхня в’язкої речовини залежно від тривалості обробки в апараті. Було встановлено, що після десяти хвилин обробки цей параметр збільшився з 3080 до 4965 см²/г, після двадцяти хвилин – до 5477 см²/г і після тридцяти хвилин – до 6724 см²/г.

Нами було поставлено завдання дослідження властивостей бетону (здатність витримувати високі динамічні та вібраційні навантаження), виготовленого на основі «лежалого» цементу та цього ж цементу, але пройшовшого обробку в АВС. Для обробки був взятий цемент марки CEM I 325 R з тонкістю помелу 80 мкм та включенням грудок великого розміру, які утворилися в результаті тривалого зберігання.

 Рисунок 2 – Вихідний «лежалий» цемент.

Помел цементу проходив в апараті вихрового шару типу АВС-100 виробництва GlobeCore протягом 30 хвилин з використанням сталевих феромагнітних частинок. Після подрібнення тонкість помелу цементу склала 5-10 мкм.

Для проведення випробувань були виготовлені зразки у формі прямокутного паралелепіпеда з розмірами 0,04 м х 0,04 м х 0,16 м (рисунок 3).

Рисунок 3 – Досліджуваний зразок після проведення випробувань.

Для приготування розчину використовувався цемент CEM I 325 R, стандартний багатофракційний пісок і вода (у співвідношенні вода до цементу 0,4).

Таблиця 1 – Результати випробувань зразків на згинання і стиснення

Матеріал	Межа міцності при згинанні, МПа		Межа міцності при стисненні (на 28-й день), МПа
	На 8-й день	На 28-й день
Вихідний цемент	2,83	4,86	14,51
Цемент, оброблений в апараті АВС-100	3,73	6,08	42,66

Як видно з таблиці, межа міцності зразків на згинання вже на 8-у добу збільшилася на 30% при обробці цементу в АВС. Межа міцності при стисненні зразків, виготовлених на основі цементу, що пройшов додаткове подрібнення і активацію в АВС, збільшилася в 2,9 рази.

Таким чином, застосування АВС дозволяє економити цемент і витрачати при цьому менше електроенергії. Ефект економії електроенергії пояснюється тим, що витрачаючи відносно невелику потужність, можна отримати кілька десятків або сотень подрібнювачів, адже по суті кожна феромагнітна частинка при русі в вихровому шарі є міні-подрібнювачем.

У технологічному процесі виробництва бетону АВС також може застосовуватися для магнітної активації води (без феромагнітних частинок), активації піску, а також спільної обробки суміші піску і цементу з метою отримання активованих компонентів для приготування розчину. Апарат без значних зусиль і витрат вбудовується в вже існуючі технологічні лінії, тому може використовуватися для модернізації діючих виробництв.

Отримані результати та особливості роботи АВС свідчать про те, що апарат може реалізувати не тільки помел цементу, а й бути ефективним при виробництві мікроцементу і сухих будівельних сумішей.

Виробництво мікроцементу

Мікроцемент – відносно новий матеріал. В його основі лежить цемент, але більш дрібного помелу, ніж звичайний будівельний, а також полімерні добавки, кварц і колірні пігменти. Завдяки найдрібнішому розміру зерен, високій текучості і низькій в’язкості в розчинах з водою мікроцемент здатний проникати навіть у найменші тріщини і пори, заповнювати простори між зернами гірських порід і мінералів. А висока міцність і адгезія дозволяють застосовувати мікроцемент для обробки будь-яких твердих поверхонь при внутрішніх і зовнішніх роботах. Мікроцемент робить будівельні конструкції більш міцними і довговічними, а оброблені поверхні – водонепроникними.

Основна характеристика мікроцементу – тонкість помелу, яка має основне значення при твердінні в перші хвилини і години схоплювання. І далеко не всі промислові млини можуть забезпечити розмір частинок на рівні 5-15 мікрон, витративши при цьому небагато електроенергії.

Помольні комплекси на основі апаратів вихрового шару АВС компанії GlobeCore справляються з цією задачею. Процес виробництва мікроцементу на таких помольних комплексах починається з попереднього змішування вихідних компонентів, після чого отримана суміш надходить у робочу камеру апарата вихрового шару (рисунок 4). Там частинки продукту подрібнюються під впливом сталевих голок, які рухаються по складних траєкторіях і приводяться в рух за допомогою електромагнітного поля. З виходу робочої камери подрібнений продукт надходить на вібросито, де просіюється, а більш великі частинки, розмір яких не відповідає вимогам, повертаються назад у робочу камеру апарата вихрового шару на додаткове подрібнення.

Рисунок 4 – Помольний комплекс для виробництва мікроцементу.

У результаті на виході помольного комплексу отримується мікроцемент необхідної ступеня дисперсності, який повністю готовий до розфасовки.

Помольні комплекси для виробництва мікроцементу на базі апаратів вихрового шару відзначаються компактністю розмірів, а сам апарат виділяється невеликим споживанням електроенергії в порівнянні з традиційними млинами, яке становить всього 95 кВт.

Виробництво сухих будівельних сумішей

Зазвичай суха будівельна суміш складається з в’язкої речовини (цементу, вапна або гіпсу), наповнювача (піску) і цільових добавок для регулювання властивостей розчину. Всі частинки компонентів суміші повинні вступати в реакцію з водою, але на практиці більші частинки так і залишаються непрогідратованими.

Рисунок 5 – Компоненти будівельної суміші.

Тому обладнання для виробництва сухих будівельних сумішей повинно вирішувати кілька завдань:

• при необхідності додатково подрібнювати частинки вихідних компонентів;
• активувати частинки вихідних компонентів, тобто підвищувати їх здатність вступати в реакцію з водою;
• рівномірно перемішувати компоненти до отримання однорідної суміші.

Всі ці завдання можна вирішити за допомогою одного пристрою – апарата вихрового шару типу АВС.

Апарат працює таким чином: вихідні компоненти (в’язка речовина, наповнювач і добавки) у заданому співвідношенні одночасно подаються в робочу камеру. За рахунок комплексного впливу обертового електромагнітного поля і ударних впливів феромагнітних частинок здійснюється не тільки додаткове подрібнення, але і активація компонентів. При цьому активація відбувається навіть тоді, коли розміри частинок речовини залишаються незмінними.

Під час рухів і зіткнень кожна голка стає не тільки подрібнювачем, але і міні-мішалкою, забезпечуючи також рівномірне перемішування і розподіл компонентів, тому на виході з робочої камери утворюється вже готова до розфасовки будівельна суміш.

Застосування апаратів вихрового шару дозволяє налагодити безперервне виробництво сухих будівельних сумішей, скоротити споживання електроенергії і заощадити гроші за рахунок часткової заміни в’язкої речовини активованим наповнювачем без шкоди для надійності будівельних конструкцій.