Использование доменных шлаков в производстве гидравлических вяжущих, на основе ПЦ клинкера

Жаростойкость шлакопортландцемента значительно  превосходит жаростойкость портландцемента. Шлакопортландцемент способен без снижения прочности выдерживать длительное воздействие высоких температур (600—800° С). Это объясняется главным образом пониженным  содержанием  в  последнем  свободного Са (ОН)₂.

Морозостойкость шлакопортландцемента несколько ниже морозостойкости портландцемента; она уменьшается с увеличением в нем содержания шлака. Это объясняется несколько меньшей плотностью и повышенной водопроницаемостью бетонов на шлакопортландцементе. Бетоны на шлакопортландцементе обычно выдерживают 50—100 циклов замораживания и оттаивания. Поэтому шлакопортландцемент не рекомендуют для изделий и конструкций, работающих в особенно суровых условиях, например в плитах-оболочках гидротехнических сооружений, размещаемых в зоне меняющегося уровня воды и систематически замерзающих и оттаивающих в водонасыщенном состоянии.

Морозостойкость быстротвердеющего шлакопортландцемента несколько выше, чем рядового цемента.

• Области применения шлакопортландцемента. Шлакопортландцемент применяется в основном в тех же областях строительства, что и обычный портландцемент. Вследствие пониженного тепловыделения и повышенной жаростойкости его предпочитают портландцементу при изготовлении бетонов для массивных сооружений, а также в конструкциях горячих  цехов.

Повышенная  стойкость по отношению к действию мягких и сульфатных вод, пониженное тепловыделение шлакопортландцемента   позволяют   эффективно   использовать его и в гидротехническом морском и речном строительстве (с учетом при этом норм агрессивности воды-среды). Однако в отличие от портландцемента он неэффективен в частях  сооружений,   подвергающихся   попеременному  замораживанию и оттаиванию или увлажнению и высыханию.

Шлакопортландцемент, как и портландцемент, широко применяют в производстве сборных бетонных и железобетонных конструкций и изделий, в частности изготовляемых с использованием тепловлажностной обработки. Быстротвердеющий шлакопортландцемент рекомендуется при изготовлении сборных и монолитных бетонных и железобетонных конструкций, когда требуется высокая прочность в начальные сроки, а также при изготовлении сборных конструкций с применением водотепловой обработки.

Во всех областях применения шлакопортландцемент оказывается экономичнее портландцемента и пуццоланового портландцемента той же активности.

 

Сульфатно-шлаковый цемент

Сульфатно-шлаковый цемент — гидравлическое вяжущее  вещество, изготовляемое совместным помолом гранулированного доменного шлака и гипса или ангидрита с небольшими добавками щелочного возбудителя его твердения.

Толчком к производству сульфатно-шлакового цемента явилось предложение Кюля об активизации вяжущих свойств доменных гранулированных шлаков с помощью гипса.

Обычно  сульфатно-шлаковый цемент содержит 80—85% шлака, 10—15% ангидрита или двуводного гипса, до 5% портландцеметного клинкера или 2% извести. Разновидность сульфатно-шлакового цемента, получают помолом гранулированного доменного шлака с обожженным доломитом и ангидритом или двуводным гипсом.

При использовании основных доменных шлаков наиболее высокая активность характерна обычно для цементов, состоящих из 90% шлака,  5% ангидрита и 5% доломита, обожженного при 800—900° С. При кислых доменных шлаках оптимальные составы цемента следующие (%): 85 шлака, 5—8 ангидрита и 7—8 доломита, обожженного при 1000—1100° С. Применение искусственно полученного ангидрита позволяет получать цемент более высокой прочности. Введение доломита вместо извести уменьшает опасность сульфоалюминатного разрушения и дает продукт с более равномерными свойствами.

Для изготовления сульфатно-шлакового цемента целесообразнее всего применять основные доменные шлаки с повышенным содержанием глинозема (в пределах 10—20%) и пониженным — закиси марганца (не более 3%), а также кислые шлаки с модулем основности не менее 0,8 и модулем активности не ниже 0,45 при содержании закиси марганца и глинозема соответственно не более 3,5 и 20%.

Активным  сульфатным возбудителем шлака является ангидрит, полученный обжигом; менее активен гипс. Поэтому гипсовый камень перед применением желательно обжигать при температуре 600—800° С. Применение ангидрита повышает стабильность свойств сульфатно-шлакового цемента при более тонком измельчении и способствует длительной его сохранности.

 

Технология   сульфатно-шлакового   цемента   включает:

• складирование сырьевых материалов — гранулированного шлака, гипса или ангидрита и клинкера или извести;

• подготовку сырья — дробление и сушку доменного шлака, дробление ангидрита или гипса, а иногда клинкера или извести;

• дозирование подготовленных сырьевых материалов;

• совместный помол всех компонентов сульфатно-шлакового цемента;

• складирование и отгрузку цемента.

Гипс  или ангидрит, клинкер или известь  дробят обычно, как и при изготовлении других шлаковых цементов, в щековых или молотковых дробилках, а шлак сушат при температуре около 600—700° С. Перед поступлением в мельницу подготовленные сырьевые материалы тщательно дозируют по массе, так как небольшое отклонение в содержании отдельных составляющих, а особенно клинкера или извести, может заметно ухудшить качество готовой продукции.

Сульфатно-шлаковый цемент целесообразно измельчать до остатка 1—3% на сите № 008, что способствует резкому увеличению его активности.

Плотность этого вяжущего колеблется от 2,9 до 3,1 г/см³. Объемная масса цемента в рыхлонасыпном состоянии 900—1000,  а в уплотненном  1500—1650 кг/м³.

Водопотребность сульфатно-шлакового цемента такая же, как и водопотребность шлакового портландцемента, и зависит главным образом от тонкости его измельчения. Однако в отличие от портландцемента и шлаковогопортландцемента сульфатно-шлаковый цемент связывает при гидратации значительно больше воды. Поэтому, если при использовании портландцементов увеличение водоцементного отношения сверх 0,3—0,4 приводит обычно к почти линейно выраженному падению прочности, то при сульфатно-шлаковом цементе максимальная прочность достигается лишь при В/Ц, равном 0,5—0,6. Это свойство сульфатно-шлакового цемента позволяет изготовлять на нем пластичный бетон без ущерба для его прочности. На сульфатно-шлаковом цементе не рекомендуют изготовлять бетонные смеси с В/Ц менее 0,5.

Сроки схватывания  этого цемента находятся в пределах, установленных для других цементов: начало — не ранее 30 мин, конец — не позднее 10 ч. Сроки схватывания сульфатно-шлакового цемента с увеличением тонкости его помола значительно уменьшаются: начало схватывания цемента, размолотого до удельной поверхности 5000 см²/г, — через 30 мин, конец — через 95 мин.

Прочность на сжатие сульфатно-шлакового цемента достигает 30—40 МПа. Сульфатно-шлаковый цемент наиболее интенсивно твердеет при температуре 20—30° С. При низких положительных температурах окружающей среды (ниже 10° С) рост прочности значительно замедляется, а иногда и прекращается. При температуре более 40° С также, как и при пропаривании при 60° С и более или запаривании под давлением, сульфатно-шлаковый цемент приобретает невысокую  прочность.

Стойкость. Сульфатно-шлаковый цемент отличается от портландцемента и шлакового портландцемента повышенной стойкостью против воздействия мягких и сульфатных вод. Имеются сведения о повышенной стойкости бетонов на этом цементе против действия молочной кислоты, льняного масла, водных растворов сульфатов магния и алюминия (при их концентрации до 2%), а также сульфата аммония (до 0,5%).

В бетонах  на сульфатно-шлаковых цементах, не подвергающихся увлажнению, коррозия арматуры не развивается.  При  повышенной влажности  арматура ржавеет.

Наибольший  эффект дает применение сульфатно-шлакового цемента при возведении массивных бетонных и железобетонных подземных и подводных сооружений, особенно подверженных действию агрессивных (морской, сульфатных и др.) вод и выщелачиванию. При использовании его в наземных конструкциях, как указывалось, необходимо увлажнять бетоны и растворы на сульфатно-шлаковом цементе в течение 2—3 недель для предотвращения образования   хрупкого  и рассыпающегося   поверхностного слоя.

Применение  этого цемента при температурах ниже 10° С должно сопровождаться обогревом бетона. Не рекомендуется использовать сульфатно-шлаковый цемент в конструкциях, подвергающихся систематическому попеременному замораживанию и оттаиванию или увлажнению и высыханию.

Процессы  твердения сульфатно-шлакового цемента  связаны в первую очередь со взаимодействием глинозема и сульфата кальция, вводимого в цемент в количестве 10—15%.

Применение  этого цемента при температурах ниже 10° С должно сопровождаться обогревом бетона. Не рекомендуется использовать сульфатно-шлаковый цемент в конструкциях, подвергающихся систематическому попеременному замораживанию и оттаиванию или увлажнению и высыханию.

 

Известково-шлаковое вяжущее

Это —  гидравлическое вяжущее вещество, получаемое совместным измельчением негашеной извести, гранулированного доменного шлака с добавкой небольшого количества гипса (не более 5% по массе смеси), относящееся к группе известесодержащих. Состав и свойства его регламентируются ГОСТ 2544—76.

Содержание  извести в вяжущем устанавливают  в зависимости от качества шлака в пределах 10—30% массы смеси. Иногда его называют цементом.

В ряде случаев  при введении в него большого количества негашеной извести (более 20%) наблюдается чрезмерно быстрое схватывание и даже неравномерное изменение объема при твердении. Для устранения таких явлений применяют замедлители схватывания извести или прибегают к повторному перемешиванию бетонной или растворной смеси, приводящему, однако, к некоторому снижению прочности бетона или раствора.

Лучшими шлаками для известково-шлакового  цемента являются основные и слабокислые с повышенным содержанием глинозема и низким содержанием закиси марганца (не более 3—4 %).

Технология   известкого-шлакового   вяжущего   значительно проще, чем шлакопортландцемента, и включает обычно следующие операции:

 

• складирование сырьевых материалов,

• сушку шлака,

• дробление извести,

•дробление гипса,

• дозирование сырьевых материалов перед помолом,

• совместный помол,

• складирование и отправку потребителям готового цемента.

Хранить материалы (особенно известь) нужно в закрытых складах, а шлак и гипс можно и под навесами.

Измельчают  известь и гипс обычно в молотковых или ударно-центробежных дробилках  до размера частиц не более 5—10 мм. Шлак сушат при температуре 600—700° С, устанавливаемой  опытным  путем.

Применение  негашеной извести-кипелки при  небольшой влажности шлака (3—4%) позволяет исключить сушку из технологического процесса. В этом случае вода, содержащаяся в шлаке, при совместном помоле с известью идет на ее гашение и шлак становится сухим.

Для тонкого  помола цемента применяют шаровые  мельницы. Этот цемент следует измельчать до остатка 3—5% на сите № 008, что способствует повышению его активности. При этом желательно удельную поверхность известково-шлакового вяжущего доводить до 3500—5000 см³/г и шлака, содержащегося в цементе, до 3500—4000 см²/г.

Большое значение для качества вяжущего имеют  свойства гранулированного шлака. Использование шлака (по возможности одного и того же завода) одинакового химического состава, объемной массы и цвета — обязательное условие производства высококачественного продукта.

Простота  технологии определяет высокую технико-экономическую эффективность известково-шлакового цемента. На изготовление 1 т расходуется примерно 50—60 кг условного топлива и 70—80 кВт-ч электроэнергии. Для производства известково-шлакового и других бесклинкерных шлаковых цементов целесообразна организация помольных установок мощностью 100, 200—500 тыс. т в год.

Известково-шлаковый цемент твердеет под влиянием щелочного  возбуждения шлака окисью кальция, содержащейся в извести. При этом в основном протекают те же процессы и образуются те же цементирующие соединения, что и при взаимодействии шлака с водой в шлакопортландцементе. Гипс, активизируя действия на глиноземистые составляющие шлака, ускоряет твердение известково-шлакового вяжущего.

Плотность известково-шлакового цемента составляет 2,5—2,9 г/см³ и зависит в основном от вида и содержания в нем извести.

 

Заключение

 

Возможность применения шлаков в строительной индустрии  очень велика. Шлаки являются не только загрязняющим грузом, но и весьма полезным сырьем. При применении, которого меняются свойства привычных строительных материалов, как в положительную так и в отрицательную сторону.

Множество технологий применения шлаков находятся на стадии развития, поэтому для инженеров строительной индустрии имеется большое поле для деятельности.

 

Список  использованных литературных источников

 

1. ГОСТ 10178-85 Портландцемент и шлакопортландцемент. Технические условия

2. ГОСТ 5382-91 Цементы и материалы цементного производства. Методы химического анализа.

3. Баженов Ю.М. Технология бетона: Учеб. пособие. — 2-е изд., перераб. — М.: Высшая школа, 1987. — 415с.