Производство портландцементного клинкера – это высокоэнергоемкий процесс, и снижение затратной части производства и стоимости цемента представляет собой актуальную задачу. Попытку решить эту проблему путем производства «песчанистого цемента», в который на стадии помола вводят природный песок до 20 % от массы вяжущего, следует признать неудачной. Этот вид цемента (первые патенты Германии на него датируются 1892 - 1893 г.г.) характеризуются переизмельчением его клинкерной части при совместном помоле c песком. По данным профессора А.В. Волженского при Sуд.цем. ~ 3700 … 3800 см2/г степень измельчения клинкерной части составляет Sуд.кл. ~ 5000 … 6000 см2/г. Такое вяжущее быстро гидратируется и набирает прочность в раннем возрасте, но, одновременно, обладает повышенной усадкой и провоцирует трещинообразование в бетоне, снижает устойчивость последнего при переменном увлажнении-высушивании, при воздействии солевой среды и морозостойкость. Однако наиболее опасна ускоренная гидратация переизмельченного цемента в железобетоне потому, что в вяжущем отсутствуют крупные зерна клинкера (фактически для песчанистого цемента остаток на сите № 008 составляет менее 1 %, при допустимых по действующему стандарту до 15 %), гидратация которых в течение длительного периода обеспечивает поддержание щелочности среды в бетоне эксплуатируемых конструкций на уровне, необходимом для сохранения в нем стальной арматуры (рН ≥ 11,8 ед.). Снижение уровня «рН – фактора» и карбонизация со временем защитного слоя бетона создают реальную угрозу коррозии арматуры железобетонных конструкций. Особенно это опасно в преднапряженных конструкциях. Альтернативой песку в производстве цемента с минеральной добавкой является использование гранитного отсева – побочного продукта производства щебня на РУПП «Гранит», Брестской области РБ, что доказано результатами исследований, и их производственного использования.
Научная новизна и значимость результатов разработки экспериментально установленной оптимальной степени дисперсности миндобавки из гранитного отсева, соответствующей удельной поверхности (по прибору типа «ПСХ») – Sуд ~ 3000 … 3100 см2/г, при которой не проявляющая собственной гидравлической активности дисперсная гранитная порода в дозировке (10 … 15) % от массы клинкерной части портландцемента способствует ускорению процесса гидратации вяжущего, росту количества кристаллогидратных новообразований – продуктов реакции клинкерной части цемента с водой, чем обеспечивает повышение плотности формирующейся структуры твердеющего цементного камня. Эти эффекты проявляются в росте до (20 … 25) % его прочности на сжатие, а также в выявленном (с помощью дериватографического и рентгенофазового анализов) увеличении количества до (10 … 15) % новообразований в пробах затвердевшего цемента с добавкой молотого отсева и до 14 % количества химически связываемой клинкерной частью цемента воды. Одновременно установлено, что в пробах с добавкой отсутствуют признаки химических реакций ее вещества с продуктами гидролиза – гидратации цемента, т.е. отсутствуют изменения в морфологии продуктов гидратации цемента с добавкой в сравнении с пробами без нее.
Выявлено, что независимо от степени измельчения гранитной породы, соответствующей Sуд ~ 3000 … 6000 … 9000 см2/г, продукт помола характеризуется гранулометрическим составом, включающим равное количество (~ 15 % фракции ≤ 0,3 мкм (≤ 3000 Å) массы добавки); при этом повышение степени дисперсности сверх Sуд ~ 3000 см2/г сопровождается ростом водопотребности добавки и цемента с ней и снижением эффективности, при одновременном росте энергозатрат и времени на измельчение материала.
На основании совокупности экспериментальных данных сделан вывод о комплексном механизме действия добавки в твердеющем цементе за счет эффекта «центров кристаллизации», который проявляют фракции молотого отсева размерами менее 0,3 мкм (3000 Å), и эффекта микроструктурирования более крупными фракциями этой добавки. Первые способствуют ускоренному (и в большем количестве) образованию кристаллогидратов при гидратации клинкерной составляющей цемента (за счет понижения энергетического порога начала их образования и эффекта «подложки» в реагирующей системе «цемент-вода») и, как следствие, формированию более плотной наноструктуры их в затвердевшем цементном камне, а содержащиеся в добавке фракции крупнее 0,3 мкм (3000 Å), вплоть до ≤ 50 мкм (50000 нм), дополняют этот эффект, способствуют формированию более упорядоченной и плотной микро- и макроструктуры цементного камня, что в целом сопровождается ростом его прочности на сжатие до (20 … 25) % при рациональной (до (15 … 20) %) дозировке молотого гранитного отсева (гранитной породы).