|
Доменные шлаки для изготовления
различного рода строительных материалов используются у нас больше 100 лет. В 1865 г., вскоре после того, как стали применять грануляцию шлаков водой и были выявлены их
гидравлические свойства, возникло производство стеновых камней из смеси
извести и шлака. В 90-х годах прошлого столетия в нынешном Днепропетровске и
Кривом Роге построили набивным способом первые крупные здания из шлакобетона.
Позже, в 1913—1914 гг., в Днепропетровске был выстроен первый завод
шлакопортландцемента. Примерно в то же время производство его' было
организовано на Косогорском металлургическом заводе в Туле. В настоящее время
объем производства шлакопортландцемента у нас достигает около 30% общего
выпуска цемента.
Шлакопортландцемент является гидравлическим вяжущим
веществом, получаемым путем совместного тонкого измельчения клинкера и
высушенного гранулированного доменного шлака с обычной добавкой гипса;'
шлакопортландцемент можно изготовить тщательным смешиванием тех же
материалов, измельченных раздельно.
По ГОСТ 10178—76 доменного шлака в этом цементе должно
быть не меньше 21% и не больше 60% массы цемента; часть шлака можно заменить
активной мине ральной добавкой (трепелом) (не более 10% массы цемента),, что
способствует улучшению технических свойств вяжущего. В шлакопортландцементе,
предназначаемом для применения в массивных гидротехнических сооружениях,
предельное содержание шлака не регламентируется и устанавливается по
соглашению сторон. Разновидностями шлакопортландцемента являются нормальный
быстротвердеющий и сульфатостойкий.
Технология производства шлакопортландцемента отличается
тем, что гранулированный доменный шлак подвергается сушке при температурах,
исключающих возможность его рекристаллизации, и в высушенном виде подается в
цементные мельницы. При помоле шлакопортландцемента производительность
многокамерных трубных мельниц понижается, что объясняется, по-видимому,
низкой средней плотностью шлака, ограничивающей возможность достаточного
заполнения по массе объема мельниц. Иные результаты получаются при применении
кислых шлаков как мокрой, так и в особенности полусухой грануляции. При
совместном помоле с клинкером эти шлаки, хотя они и в значительной степени
остеклованы, не сосредотачиваются в тончайших фракциях цементного порошка.
Наличие крупных зерен шлака в составе шлакопортландцемента несколько
замедляет процесс твердения.
Для получения каждого компонента с наиболее приемлемой для
него тонкостью помола следует размалывать клинкер и шлак раздельно. В
зависимости от сравнительной сопротивляемости клинкера и шлака измельчению
принимают две схемы помола. По первой клинкер предварительно измельчают
сначала в первой мельнице, а затем уже во второй совместно со шлаком. Такая
схема рекомендована Южгипроцементом для получения быстро- твердеющего
шлакопортландцемента. Она рациональна при более низкой размалываемости шлака,
чем клинкера. В этом случае достигается особо тонкий помол клинкера, что
ускоряет твердение шлакопортландцемента.'
Вторая схема предусматривает обычный совместный помол
шлака и клинкера при примерно одинаковой их размалываемости. В этом случае
измалываемые компоненты еще дополнительно истирают друг друга. Высокая
тонкость помола — развитая удельная поверхность — особенно важна для
клинкерной части цемента. При этом также проявляется физико-химическая
потенциальная активность шлака. Увеличение удельной поверхности
шлаколортландцемента до 3200—3000 см2/г позволяет повысить его прочность
примерно до прочности чистого портландцемента с удельной поверхностью — 3000
см2/г.
Клинкер для шлаколортландцемента должен иметь такой
минералогический состав и структуру, чтобы были обеспечены твердение и
высокая прочность «клинкерной части» в составе шлаколортландцемента.
Целесообразно, чтобы по физико-химической характеристике он приближался бы к
клинкерам высокопрочных быстротвер- деющих портландцементов. Гипс ускоряет
схватывание шлаколортландцемента, однако дозировку его нужно устанавливать
экспериментально. Содержание шлака и других активных добавок в составе
цемента составило в J980 г. в среднем по промышленности 21,7%. Наиболее
быстрое твердение происходит при 30—40% шлака.
По ГОСТ к шлакопортландцемснту предъявляются такие же
требования по тонкости помола, срокам схватывания, равномерности изменения
объема, содержанию S03 и MgO в клинкере как и к портландцементу. По
прочностным показателям он разделяется на марки 300, 400 и 500. Отличительной
его особенностью является повышенная прочность на растяжение и изгиб. В
отличие от луццолановых портландцементов шлакопортландцемент не вызывает
повышения водопотребности растворов и бетонных смесей. При несколько
замедленном росте прочности в первый после затворения период он интенсивно
наращивает ее в последующем. За срок от семи суток до одного года прочность у
портландцемента увеличивается примерно вдвое, а у шлакопортландце- мента — в
нормальных температурно-влажностных условиях возрастает значительно больше —
примерно в 2,5 раза.
Твердение шлаколортландцемента обусловливается более
сложными процессами, чем портландцемента из-за шлака. Происходит гидратация
клинкерной части цемента, в результате чего в твердеющей системе образуется
насыщенный известковый раствор, который образуется также и при разложении
сернистого кальция 2 CaS + 2 Н20 ^ Са (SH)2 + Са (ОН)2
Весьма важна концентрация в растворе как ионов Са2+, так и
гидроксильных ОН"; существенная роль последних заметна по интенсивной
гидратации шлака при воздействии щелочных растворов натрия или калия; в
растворе имеется также некоторое количество ионов SO4".
В результате создается среда, способная вызвать щелочное и
сульфатное возбуждение зерен шлака, поверхностные слои которых вовлекаются в
результате этого в процессы гидратации и образования цементирующих
соединений. Контактируя в полостях и микротрещинах с поверхностными слоями
шлакового стекла, известковый раствор способствует переводу в раствор
находящихся на поверхности шлаковых зерен катионов вследствие разрыва
кремнекислородных связей. В результате при взаимодействии с известью
образуются гидросиликаты кальция, вначале более основные, а по мере снижения
концентрации извести в реагирующей среде — уже низкоосновные серии CSH (В).
Исследования процессов твердения известковошлаковых смесей и шлакопорт-
ландцементов показали, что происходит химическое связывание шлаком СаО. Это
подтверждается также опытами по методу В. И. Стрелкова, определяющего
активность шлака в зависимости от количества поглощенных им ионов из
гипсоизвесткового раствора.
В процессе твердения шлакопортландцемента образуется
гидросульфоалюминат кальция; после израсходования всего гипса при достаточно
высокой концентрации извести возможно образование гидроалюминатов кальция. Не
исключена возможность появления гидрогелени- та — C2ASH8. Шлакопортландцемепт
в отличие от портландцемента не проявляет тенденции к снижению прочности при
твердении в результате обычно возникающих внутренних напряжений. Количество
связанной воды [121] при твердении шлакопортландцемента зависит
преимущественно от активности и соответствует степени гидратации клинкерной
части шлакопортландцемента в особенности при кислых шлаках. Содержание шлака
в шлакопортландцементе уменьшает контракцию, причем через сутки это уменьшение
пропорционально содержа-' нию шлака в цементе. При одинаковом соотношении
шлака и клинкера контракция к 30 суткам больше у шлакопортландцемента на
основных шлаках. Контракция шлакопортландцемента на кислых шлаках зависит,
главным образом, от химико-минералогического состава клинкера.
Усадочные деформации у шлакопортландцемента в растворе 1:3
с' нормальным песком к 4 месяцам твердения на воздухе достигают 0,6—0,76 мм/м
при содержании в цементе 50% кислых доменных шлаков либо 70% основных
доменных шлаков. У взятого для сравнения пуццоланового портландцемента усадка
составила 1,15 мм/м. Причина усадки в условиях воздушного твердения — в
основном удаление свободной воды; у шлакопортландцементов с небольшой
добавкой шлака, ниже 50%, усадка зависит преимущественно от минералогического
состава клинкера.
Тепловыделение при гидратации шлакопортландцемента
значительно ниже, чем у портландцемента. Это препятствует его использованию в
зимних условиях, но положительно сказывается при изготовлении массивного
бетона. Для нормального твердения шлакопортландцемента необходима температура
не ниже 288 К, при более низких бетонную смесь необходимо подогревать.'
Исследовалась стойкость шлакопортландцементов с кислыми и
основными шлаками по отношению к выщелачиванию методом фильтрации
дистиллированной воды. Опыты показали, что введение в цементы как кислых, так
и основных шлаков повышает их стойкость по отношению к действию мягкой воды.
Это характеризуется уменьшением абсолютного количества выщелоченной из
шлакопортландцемента извести, а также меньшей потерей прочности по сравнению
с портландцементом и пуццолановым портландцементом. Твердые зерна шлака,
довольно медленно гидратирующиеся, создают дополнительный жесткий каркас,
который сохраняется и после выщелачивания части извести из клинкерной
составляющей шлакопортландцемента.
Шлакопортландцемепты обладают достаточной
морозостойкостью, которую можно повысить путем введения поверхностно-активных
воздухововлекающих и других добавок, уменьшения В/Ц и созданием условий для
предварительного твердения примерно до 3 мес до начала морозов. Последнее
особенно важно для шлако- портландцементов на базе кислых шлаков, содержащих
больше «слабо связанной» воды и вследствие этого менее морозостойких, чем
шлакопортландцементы на основных шлаках. Сравнительно высока морозостойкость
цемента при содержании 60—80% шлака. Для водонепроницаемости существенное
значение имеет как вид использованного для получения цемента шлака, так и его
дисперсность. Из шлаколортландцемента можно получить водонепроницаемые бетоны
при высокой удельной поверхности цемента, а также при добавке 10% другой
активной минеральной добавки.
Для повышения активности шлакопортландцементов применяется
мокрый помол шлаков и последующее смешение шлакового шлама в бетономешалке с
портландцементом. Такой метод был применен на строительстве плотины во
Франции и дал весьма положительные результаты. Было установлено, что
выделение тепла при твердении шлаколортландцемента понизилось, что особенно
ценно для массивного бетона.
Положительной особенностью шлакопортландцементов, в
отличие от пуццолановых, является сравнительная воздухостойкость,
обеспечивающая нормальное твердение бетона (железобетона) наземных
сооружений. Это не исключает необходимости тщательного ухода за бетоном для
защиты его от высыхания и пониженных температур в первые сроки твердения.
Шлакопортландцемент обладает повышенной стойкостью против действия
минерализованных вод (морской, сульфатной и др.). Однако по отношению к
концентрированным растворам магнезиальных солей он недостаточно стоек.
Свободные кислоты, содержащиеся в болотных, сточных промышленных и других
водах разрушают бетон из шлакопортландцемента.
Шлакопортландцемент не оказывает корродирующего действия
на заложенную в бетон стальную арматуру и достаточно прочно сцепляется с ней.
Поэтому его можно применять в железобетонных конструкциях наравне с
портландцементом [134]. В отличие от портландцемента шлакопортландцемент в
растворах и бетонах лучше сопротивляется действию повышенных температур,
поэтому его можно применять после необходимого предварительного твердения во
влажных условиях для некоторых строительных конструкций, эксплуатируемых в
горячих цехах. Особенно хорошо влияет на твердение шлакопортландцемента
тепло- влажпостная обработка. Исследования показали, что пропаривание так
интенсивно ускоряет процессы гидратации, кристаллизации и уплотнения
структуры шлакопортландцемента, что получаемые растворы и бетоны приобретают
высокие строительные свойства. Коэффициент использования активности цемента
при пропа- ривапии достигает 70% против 60% для портландцемента; повышается
трещиностойкость, морозостойкость, водонепроницаемость, водо- и солестойкость
и улучшается ряд других свойств. Для получения шлакопортландцемента,
предназначаемого для пропаривания, целесообразно применять клинкер,
содержащий 55—60% C3S и 7—10% СзА при 40% гранулированного доменного шлака.
Шлакопортландцемент более универсальное вяжущее, чем
пуццолановый, его можно эффективно приме-' нять для бетонных и железобетонных
конструкций, наземных, подземных и подводных сооружений. Он особенно
эффективен в крупных гидротехнических сооружениях, а также в сборных
железобетонных конструкциях и изделиях, подвергающихся тепловлажностной
обработке. Крупнейшие гидроэлектростанции на Днепре (Дпепрогес, Каховская ГЭС
и др.)> на Енисее и др.' возведены с применением шлакопортландцемента; он
был широко использован для строительства предприятий черной металлургии и
других отраслей тяжелой индустрии в Донбассе, на Урале, в Сибири, в
Закавказье и др. Его успешно применяют в ряде районов для производства
сборных железобетонных конструкций и изделий с применением пропаривания.
|