Наибольшую активность имеют продукты, измельченные в специальных энергонапряженных мельницах - вибрационных, планетарно-шаровых, струй­ных, мельницах вихревого слоя, дезинтеграторах.

Во всех этих агрегатах материал измельчается или раздавливанием, или ударом, или истиранием, а обычно - всеми тремя методами одновременно. Но главный вклад в этот процесс вносит как раз измельчение путем удара.

Ударное разрушающее воздействие на материал, в свою очередь, можно разделить на «свободное» и «стесненное».

Под «свободным» ударом следует понимать тип воздействия, когда об­рабатываемый материал с большой скоростью ударяется о неподвижную пре­граду (типичный образчик - струйная мельница) или на небольшой скорости подвергается воздействию механических ударных элементов, движущихся с большой скоростью (дезинтегратор). После соприкосновения мелющийся ма­териал способен изменить траекторию в соответствии с параметрами удара и характеристиками самого материала. Иногда «свободный» удар называют еще и «ударом с отскоком».

Под «стесненным» ударом подразумевается случай, когда частица, находя­щаяся в неподвижном состоянии или перемещающаяся с малой скоростью, раз­рушается под действием удара свободно падающего под действием сил грави­тации мелющего тела (шаровая мельница) или под действием мелющего тела, находящегося в поле действия инерционных сил (планетарная мельница).

При «свободном» ударе превалирует динамическая составляющая пере­дачи энергии, при «стесненно» - статическая. Есть ли разница между этими вариантами разрушения, а если есть, как наиболее верно подобрать параметры ударного разрушения для обеспечения наибольшей эффективности именно в случае помола цемента?

Много экспериментов было посвящено изучению того, как вид и скорость деформации влияет на вероятность нагружения измельчаемого цемента. Ис­следования механизма разрушения частиц цемента и анализ гранулометриче­ского состава продуктов измельчения показали, что распределение частиц по размерам подчиняется нормально-логарифмическому закону. В зависимости от способа разрушения форма частиц измельченного продукта изменяется от поч­ти кубической (при «свободном» ударе) до продолговатой, лещадной (при мед­ленном сжатии и «стесненном» ударе). Последнее положение хорошо коррели­рует с результатами опытов по измельчению крупного заполнителя - гравия.

Как известно, поверхностные явления на границе «твердое тело - жид­кость» невозможно оценить напрямую, через измерение сил поверхностного натяжения. Для этих целей используются косвенные методы изучения поверх­ностных явлений - измерением теплоты смачивания. Установлено, что при смачивании твердого тела жидкостью наблюдается выделение тепла, так как разность полярностей на границе «твердое тело - жидкость» меньше, чем на границе с воздухом. Для пористых и порошкообразных тел теплота смачивания обычно имеет значение от 1 до 125 кДж/кг и зависит от степени дисперсности твердого тела и полярности жидкости.

В общем виде можно сказать, что теплота смачивания характеризует как дисперсность, так и природу его поверхности. Чем больше теплоты выделяется при смачивании, тем лучше жидкость смачивает поверхность твердого тела. В случае цемента увеличение теплоты смачивания свидетельствует об улучше­нии доступа воды к цементу, а соответственно, к более полной его гидратации.

Экспериментально было установлено, что на увеличение теплоты смачи­вания влияют как скорость разрушения, так и модель разрушения. Для «сво­бодного» удара величина увеличения теплоты смачивания почти прямо про­порциональна увеличению скорости разрушения. При «стесненном» ударе увеличение скорости разрушения очень мало влияет на увеличение теплоты смачивания - самую низкую теплоту смачивания имеют порошки, полученные статическим сжатием.

Влияние скорости удара на прочность цементного камня вообще носит экс­тремальный характер (см. таблицу 8.2.1-1).

Увеличение скорости разрушения приводит сначала к росту прочности, а за­тем к ее снижению. Наблюдение за процессом твердения цемента показали, что при скоростях измельчения свыше 180 м/с («свободный» удар) или 120 м/с («стеснен­ный» удар) процесс гидратации протекает многоэтапно, что и объясняет падение прочности. В первые несколько суток твердения из-за наличия большого количе­ства активных центров кристаллизации гидратация протекает неравномерно по объему. Эта наравномерность в дальнейшем способствует образованию локальных центров концентрации напряжений и появлению множественных дефектов струк­туры. Так, например, при скорости деформации 270 м/с и более после 4-суточного твердения происходит полное самопроизвольное разрушение образцов!

Объяснением приведенному выше парадоксу, когда с увеличением скоро­сти разрушения цементного клинкера прочность образцов падает, может слу­жить предположение, что на определенном этапе начинают проявляться меха - нохимические эффекты. Благодаря им изменяется растворимость мономине­ральных составляющих цементного клинкера. Формирующиеся при этом новые

Кристаллизационные структуры нетипичны для обычного цементного камня и не способствуют росту его прочности. В качестве добавок, нормализующих ход гидратации цементного клинкера на начальном этапе, было предложено допол­нительно вводить гидравлическую добавку (опока) и гипс двуводный, который задает начальную структуру кристаллизационных новообразований на основе гидросульфоалюминатов. Благодаря таким нехитрым мероприятиям оказалось возможным повысить максимально достижимую прочность цементного камня при «свободном» ударе в 2,4 раза (с 120 кг/см2 до 325 кг/см2). При «стеснен­ном» ударе - увеличение в 2,5 раза (с 80 кг/см2 до 205 кг/см2).

В 1961 г. Йоханес Хинт экспериментальным образом определил, что при измельчении гидравлических вяжущих (цемент) «свободным» ударом (дезин­тегратор) наиболее эффективной является скорость удара в 250 м/с, что весьма близко коррелирует с приведенными выше результатами.

В большинстве публикаций по тонкому измельчению строительных вяжу­щих специально не акцентируется внимание на зависимости скорости измель­чения от конечной прочности. Но зато всегда указывается, что в процессе тако­го дополнительного измельчения цемента необходимо в обязательном порядке учитывать повышенный выход в систему отдельных составляющих цементного клинкера, и в первую очередь трехкальциевого алюмината С3А. Поэтому ВСЕГ­ДА дополнительное измельчение цемента должно проводиться на фоне введе­ния дополнительных дозировок гипса и гидравлических добавок.

У меня уже были в почте вопросы, когда экспериментаторы, исследуя про­цессы измельчения и механоактивации цементов на высоконагруженных из­мельчающих аппаратах (дезинтеграторах) с увеличением скорости удара полу­чали отрицательные результаты. Корень проблемы в том, что они не добавляли гипс и гидравлические добавки.

Из приведенных выше исследований также видно, что именно помольные агрегаты, реализующие «свободный» удар, способны в наиболее полной мере ре­ализовать потенциал механохимической активации в гидравлических вяжущих.