الصفحة الرئيسية > الأخبار > كيفية تأثير عملية الطحن على حجم جسيمات الأسمنت وأدائها

كيفية تأثير عملية الطحن على حجم جسيمات الأسمنت وأدائها

ظهر الخرسانة عالية الأداء نتيجة للتغيرات في توزيع حجم الجسيمات التي أحدثتها تكنولوجيا الطحن. وفي المجتمع الحديث، تُعد هذه الخرسانة أداة قوية لتطوير قطاع البناء. فهي ليست مجرد مادة بناء أساسية فحسب، بل هي أيضًا عجينة أسمنتية. وتختلف كثافة هذه العجينة بناءً على حجم الجسيمات وخصائص الأسمنت. وبالتالي، يمكننا تغيير خصائص الأسمنت، مثل حجم جزيئاته، وهو أمر أساسي لتغيير أدائه. ومع ذلك، ترتبط كثافة تراص جزيئات الأسمنت ارتباطًا مباشرًا بتطور تكنولوجيا الطحن الحديثة. وقد أدى هذا الارتباط إلى إجراء تجارب على حجم جزيئات الأسمنت. ونحن ندرس الآن خصائص الجسيمات المختلفة لجعل الأسمنت أكثر ملاءمة لاحتياجاتنا الإنشائية. ويمثل هذا الجهد سعينا نحو التحسين والتقدم.

01 تحليل توزيع أحجام جزيئات الأسمنت

اخترنا أربع عمليات جديدة لطحن الأسمنت كموضوعات بحثية:

مكبس أسطواني + فاصل من النوع V + دائرة مفتوحة المطحنة الكروية
مكبس أسطواني + فاصل من النوع V + مطحنة كروية ذات دائرة مغلقة
الطاحونة العمودية كمرحلة طحن نهائية
مطحنة عمودية + مطحنة كروية ذات الدائرة المغلقة

قمنا بقياس درجة النعومة من خلال تحليل الغربلة، واستخدمنا معادلة روزين-راملر-بينيت لحساب معامل التماثل وحجم الجسيمات المميز. وقد ساعدنا ذلك في تحليل توزيع أحجام الجسيمات. كما استخدمنا جهاز تحليل حجم الجسيمات بالليزر لإجراء قياسات إضافية.

تُظهر نتائج البحث ما يلي:

(1) يتسم توزيع جسيمات الأسمنت الناتج عن هذه العمليات الأربع بقدر أكبر من التوحيد مقارنةً بما ينتج عن مطاحن الكرات التقليدية ذات الدائرة المفتوحة. وتتمكن عملية «المكبس الأسطواني + الفاصل من النوع V + مطحنة الكرات ذات الدائرة المفتوحة» من التحكم في مدى التوحيد من خلال التفاعل بين مكوناتها. وتُظهر الاختبارات الإضافية أن التوزيع المتجانس للجسيمات يساعد في التحكم في لزوجة الأسمنت ومتانته. وبالتالي، فإنها تتيح تحكمًا أفضل في استخدام الأسمنت وفعاليته.

(2) تعمل هذه العمليات الأربع على تحسين معدل الاستخدام الفعال للأسمنت. ويؤدي الطحن الميكانيكي إلى تغيير خصائص الأسمنت، مما يمنح هذه العمليات قابلية جيدة للتطبيق وآفاقًا واعدة للتطوير.

(3) تؤدي إضافة نظام طحن أولي (مكبس أسطواني + فاصل من النوع V) إلى عملية الطحن التقليدية باستخدام مطحنة الكرات إلى تقليل الفرق في توزيع حجم الجسيمات بين أنظمة الدائرة المفتوحة والمغلقة. كما أنها تحدد خصائص الأسمنت بشكل أوضح وتجمع بين الصيغ القديمة والجديدة لتحقيق نتائج أكثر وضوحًا. ويؤدي ذلك إلى إطالة العمر التشغيلي وخلق آفاق تطوير قوية.

(4) يتميز المنتج الناتج عن المطحنة الرأسية، باعتبارها عملية الطحن النهائية، بتوزيع حجم الجسيمات مشابه لتلك الموجودة في الأنظمة التي تجمع بين مكبس الأسطوانات أو المطحنة الرأسية ومطحنة الكرات.

02 نتائج البحث

عند استخدام الطحن المختلط، يميل الرماد المتطاير (الذي يُطحن بسهولة) إلى التركز في الجسيمات الدقيقة، بينما تتركز الخبث (التي يصعب طحنها) في الجسيمات الخشنة. ويؤدي ذلك إلى انخفاض كثافة تعبئة المسحوق الجاف. أما الطحن المنفصل فينتج أسمنتًا يحتوي على نسبة أقل من الجسيمات الخشنة ونسبة غير كافية قليلاً من الجسيمات الدقيقة. تؤثر زيادة المساحة السطحية النوعية للمواد المختلطة بشكل كبير على توزيع الجسيمات وتزيد من كثافة تعبئة المسحوق الجاف.

توجد علاقة ارتباط قوية بين توزيع حجم الجسيمات وكثافة التعبئة في معجون الأسمنت. فكلما زاد معامل تجانس الجسيمات، انخفضت كثافة التعبئة في المعجون بشكل خطي. وبالنسبة لأنظمة الطحن المختلطة، يتميز المعجون الذي يحتوي على الرماد المتطاير بكثافة تعبئة أعلى، في حين يتميز المعجون الذي يحتوي على الخبث بكثافة تعبئة أقل. أما في حالة الطحن المنفصل، فإن زيادة المساحة السطحية النوعية للمواد المختلطة تؤدي إلى تحسن ملحوظ في كثافة المعجون.

عندما يكون تكوين المزيج ثابتًا، تؤدي زيادة كثافة التعبئة في المعجون إلى زيادة القوة. وبمقارنة طريقتي الطحن:

بالنسبة للأسمنت الذي يُطحن فيه الرماد المتطاير بشكل منفصل بمساحة سطح نوعية تبلغ 400 م²/كغ، تكون قوته أقل مقارنة بالطحن المختلط بنفس النسبة.
بالنسبة للأسمنت الذي يحتوي على الخبث، فإن الطحن المنفصل ينتج قوة أفضل مقارنة بالطحن المختلط.

علاوة على ذلك، فإن الأسمنت المخلوط بالرماد المتطاير يتمتع بتوافق أقل مع المواد المضافة مقارنةً بالأسمنت المخلوط بالخبث. ومع زيادة نسبة المواد المخلوطة، يرتفع استهلاك الماء اللازم للحصول على القوام القياسي، ويطول وقت التصلب بشكل ملحوظ، كما تنخفض كمية الماء المرتبط كيميائيًا في مراحل عمرية مختلفة. وبشكل عام، يتمتع الأسمنت المطحون بشكل منفصل بخصائص ميكانيكية أفضل، كما أن أداء الأسمنت المخلوط بالخبث أفضل من أداء الأسمنت المخلوط بالرماد المتطاير.

03 استخدام الأسمنت المطحون في الحياة اليومية

يُعد الأسمنت مادة بناء أساسية، لكن إنتاجه يستهلك كميات كبيرة من الطاقة. واليوم، في ظل الأولويات المرتبطة بالحفاظ على الطاقة وخفض الانبعاثات، أصبح تقليل استهلاك الطاقة إلى أدنى حد ممكن مع الحصول على منتجات عالية الأداء أمرًا بالغ الأهمية.

يُعد توزيع أحجام جزيئات الأسمنت عاملاً رئيسيًّا يؤثر على أدائها. ويسمح تحسين هذا التوزيع بتحسين أداء الأسمنت وتلبية المتطلبات المتعلقة بإنتاج الأسمنت باستهلاك منخفض للطاقة. وهناك جانبان مهمان هما التوزيع عبر نطاقات أحجام الجزيئات المختلفة وكثافة تراص الجزيئات بشكل عام.

استكشفت هذه الدراسة كلا الجانبين. وبناءً على ذلك، قمنا بتحسين توزيع حجم جزيئات الأسمنت واقترحنا نموذجًا جديدًا للتعبئة المدمجة الأولية لجزيئات الأسمنت. وتكشف الأبحاث المتعلقة بتطور القوة عبر أحجام الجزيئات المختلفة أن القوة تنشأ عن التداخل والترابط والترطيب بين جزيئات الأسمنت ونواتجها، مما يولد مقاومة للقوى الخارجية.

يرتبط حجم جزيئات الأسمنت ارتباطًا مباشرًا بسرعة ودرجة الترطيب. وتختلف معدلات الترطيب اختلافًا كبيرًا باختلاف الأحجام. ومن بين جميع الجزيئات، تلعب الجزيئات التي يتراوح حجمها بين 3 و32 ميكرومتر دورًا رئيسيًّا في تطور القوة. وينبغي أن يكون التوزيع ضمن هذا النطاق متصلاً، على ألا يقل المحتوى الإجمالي عن 65%. وتشير الأبحاث الإضافية إلى أن الجسيمات التي يتراوح حجمها بين 16 و24 ميكرومترًا لها أهمية خاصة – فكلما زاد عددها، كان ذلك أفضل.

تتبلور الجسيمات الأصغر من 3 ميكرومتر بسرعة كبيرة، بل إن بعضها يتبلور أثناء عملية الخلط، لذا فهي تساهم فقط في القوة المبكرة. أما الجسيمات التي يتراوح حجمها بين 32 و60 ميكرومتر، فهي تتمتع بدرجة امتصاص منخفضة، في حين أن الجسيمات الأكبر من 60 ميكرومتر تتمتع بنشاط ضئيل وتؤدي دور الحشو في الغالب. وبالتالي، فإن زيادة نسبة الجسيمات التي يزيد حجمها عن 32 ميكرومتر تؤدي إلى انخفاض كفاءة استخدام الكلنكر وتدهور أداء الأسمنت.

تكشف دراسة تطور القوة ما يلي:

تكتسب الجسيمات التي يتراوح حجمها بين (0، 3) ميكرومتر قوتها بسرعة، لكنها لا تصل إلى أعلى مستوى من القوة بعد 3 أيام. بل إن قوتها قد تنخفض حتى بعد 28 يومًا. وينبغي الحد من نسبة هذه الجسيمات، ويفضل أن تكون أقل من 10%.
توفر الجسيمات التي يتراوح حجمها بين (3 و16) ميكرومتر أعلى مستوى من المتانة بعد 3 أيام.
توفر الجسيمات التي يتراوح حجمها بين (16 و32) ميكرومتر أعلى مستوى من المتانة بعد 28 يومًا.

بشكل عام، تُعد الجسيمات التي تقع في نطاق (3، 32) ميكرومتر حاسمة لتطور القوة — فكلما زاد عددها، كان ذلك أفضل. لا تسهم الجسيمات في النطاق (32، 64) ميكرومتر كثيرًا في القوة المبكرة، لكن قوتها على المدى الطويل (بعد 180 يومًا) تلحق أو حتى تتفوق على تلك الموجودة في النطاق (3، 32) ميكرومتر. لتنمية القوة على المدى الطويل، يُعد هذا النطاق ضروريًا، ويفضل ألا يقل عن 10%.

تتطور قوة الجسيمات التي يزيد حجمها عن 64 ميكرومتر ببطء شديد. وينبغي الحد من نسبة وجودها، ويفضل أن تكون أقل من 5%. ويؤكد التحليل النظري والنتائج التجريبية أن البعد الفركتالي يمثل معلمة مميزة قابلة للتطبيق في توزيع حجم الجسيمات، كما أنه يرتبط ارتباطًا وثيقًا بالمعلمات الأخرى.

في ظل الظروف التجريبية المحددة:

عندما كان مؤشر التوحيد n=1، ومع زيادة الحجم المميز للجسيمات X من 16 ميكرومتر إلى 32 ميكرومتر، انخفض البعد الفركتالي D من 2.50 إلى 2.27.
مع حجم الجسيمات المميز X=29 ميكرومتر، ومع زيادة مؤشر التماثل n من 0.6 إلى 2.2، انخفض البعد الفركتالي D من 2.73 إلى 0.21.
عندما كان مؤشر التوحيد n=1، ومع زيادة المساحة السطحية النوعية S من 324 م²/كجم إلى 405 م²/كجم، زاد البعد الفركتالي D من 2.28 إلى 2.36.

لا يمكن لمنحنى فولر، الذي يصف التعبئة المثلى، تلبية متطلبات التوزيع لمختلف نطاقات أحجام الجسيمات. فهو يؤدي إلى وجود كمية زائدة من المسحوق الناعم. يمكننا استبدال الجسيمات الدقيقة التي يقل حجمها عن 16 ميكرومتر والجسيمات الخشنة التي يزيد حجمها عن 45 ميكرومتر بمضافات فعالة مثل الرماد المتطاير أو مسحوق الخبث. وهذا يزيد من محتوى النطاق الرئيسي (16، 45) ميكرومتر الذي يسهم بشكل أكبر في القوة، مما يؤدي إلى تحسين توزيع أحجام الجسيمات وتوفير كلنكر الأسمنت.

نقترح نموذجًا جديدًا للتعبئة المدمجة الأولية لجزيئات الأسمنت: نموذج LH. يبلغ الحد الأقصى لحجم الجزيئات في هذا النموذج 60 ميكرومترًا، والحد الأدنى 0.6 ميكرومتر. يجب ألا تتجاوز الجسيمات الأصغر من 3 ميكرومتر 5%، ويجب أن تتجاوز الجسيمات في النطاق (3، 32) ميكرومتر 70%. تُظهر المحاكاة الحاسوبية أن نموذج LH له نسبة فراغ تبلغ 27.9%. وهو يلبي متطلبات الأداء مع الحفاظ على مسامية منخفضة.

04 ملخص

مع التقدم الذي شهدته تكنولوجيا الطحن، تحسنت جودة الأسمنت بشكل تدريجي. وتحدد الأحجام المختلفة لجزيئات الأسمنت مجالات استخدامه. ويتيح النطاق الموسع لأحجام الجزيئات تنوعًا في الاستخدامات بناءً على الكثافة، مما يدفع تطوير الأسمنت نحو اتجاه جديد. ويؤدي ذلك إلى خلق المزيد من الفرص للتقدم، وتعزيز التحضر، وتسريع وتيرة التطور. وبالتالي، لا يزال تطوير تكنولوجيا طحن الأسمنت يحظى بقبول واستخدام واسعين.