Строительные материалы

Стройматериалы из отходов

Раздел: Быт. Хозяйство. Строительство. Техника

В настоящее время основным потребителем доменных шлаков является цементная промышленность. Для цементной промышленности также перспективными являются некоторые другие виды металлургических шлаков: феррохромовый, позволяющий получать цветной портландцементный клинкер; никелевые и медные, применяемые в качестве железистого компонента сырьевой цементной смеси и активной минеральной добавки; шлаки алюмотермического производства ферросплавов и вторичной переплавки алюминия и его сплавов — как сырье для производства глиноземистого цемента и сверхбыстротвер-деющего портландцемента; сталерафинировочные шлаки, пригодные для получения расширяющихся цементов. Для получения шлаковых вяжущих автоклавного твердения возможно применение как гранулированных, так и медленно охлажденных сталеплавильных шлаков и шлаков цветной металлургии.

Шлакосодержащие вяжущие можно подразделить на следующие основные группы: портландцемент и шлакопортландцемент, сульфатно-шлаковые, известково-шлаковые, шлакощелочные вяжущие. Из них наиболее важное значение для строительства имеют портландцемент и шлакопортландцемент, объем производства которых превалирует в общем выпуске цемента. Высока и технико-экономическая эффективность использования бесклинкерных шлаковых вяжущих, характеризующихся низкой себестоимостью, несложной технологией изготовления и сравнительно высокими строительно-техническими свойствами.

Портландцемент. В соответствии с европейскими нормами цементы общестроительного назначения разделяют в зависимости от вида и содержания добавок на пять типов. В группу портландцементов относят портландцемент I типа, содержащий до 5% активных минеральных добавок, и портландцемент II типа, содержащий от 6 до 35% минеральных добавок.

Цемент III типа — шлакопортландцемент. Он может содержать от 36 до 80% доменного шлака. Цементы IV и V типов — соответственно пуццолановый и композиционный цементы. Первый содержит от 21 до 55% пуццолановых добавок, второй — 36—80% композиции добавок, в которую как одна из добавок вводится обязательно доменный гранулированный шлак.

Доменный шлак в производстве цементов на основе клинкера применяют как компонент сырьевой смеси и как активную минеральную добавку. Экономическая эффективность применения гранулированного шлака в качестве активной минеральной добавки в цемент в несколько раз выше, чем в качестве сырьевого компонента. Как сырьевой компонент целесообразнее применять отвальные шлаки, ресурсы которых весьма велики. По химическому составу в качестве компонента портландцементной сырьевой шихты пригодны также и сталеплавильные шлаки.

Химический состав доменных шлаков позволяет использовать их вместо глинистого и части карбонатного компонентов в составе сырьевых смесей при производстве клинкера. Для доведения силикатного модуля сырьевых смесей до обычных пределов при низком содержании в шлаках А1203 (5—7%) в них вводят соответствующие корректирующие добавки.

Шлаки можно рассматривать как в значительной мере подготовленное сырье. В их составе СаО связан в различных химических соединениях, в том числе и в виде двухкальциевого силиката — одного из минералов цементного клинкера. Высокий уровень подготовки сырьевой смеси при применении доменных шлаков обеспечивает повышение производительности печей и экономию топлива. Замена глины доменным шлаком позволяет снизить на 20% содержание известкового компонента, уменьшить при сухом способе производства клинкера удельный расход сырья и топлива на 10—15%, а также повысить производительность печей на 15%.

Для заводов сухого способа производства, эксплуатирующих печные агрегаты с циклонными теплообменными устройствами, наиболее рациональным представляется использование шлаков в качестве компонента сырьевой смеси с организацией совместного измельчения всех исходных материалов.

Практикой доказана эффективность использования шлаков в составе сырьевой смеси и при мокром способе производства. Установлено, что при использовании шлакового шлама производительность вращающихся печей увеличивается на 13—20%, расход сырьевых материалов на 1 т клинкера снижается примерно на 12%, удельный расход топлива — на 10—15%. Для предохранения шлаковых шламов от загустения, расслоения и схватывания целесообразно в их состав вводить добавки поверхностно-активных веществ (ПАВ) и применять интенсивное перемешивание.

Значительный прирост производства клинкера можно получить при двухстороннем питании вращающихся печей. Разработаны и применяются технологические схемы подачи молотого шлака в печь с ее горячего конца ( 2.3), а также дополнительного питания печей путем введения доменного шлака за цепную завесу и в зону декарбонизации. При этом производительность печей повышается на 20— 25%, а удельный расход топлива снижается на 10—15%.

Представляют практический интерес способы получения портландцементного клинкера обогащением шлакового расплава необходимыми добавками. Опробованы конвертерный и электротермический способы химического обогащения жидких доменных шлаков, при котором тепловым агрегатом служит соответственно стационарный конвертер и электродуговая печь. В последнем случае достигается высокий тепловой КПД (70—80%) и технологическая маневренность, позволяющая при изменении электрического режима печи регулировать температурные условия плавки. Технико-экономическая эффективность указанных способов заключается в том, что металлургическое производство непосредственно кооперируется с цементным, что позволяет снизить капитальные затраты.

Технологическая схема применения техногенных продуктов в составе сырьевой смеси должна разрабатываться в зависимости от принятого способа приготовления этой смеси на каждом конкретном предприятии с учетом особенностей его сырьевой базы и типоразмеров печного агрегата. Так, для мокрого способа производства наиболее эффективна организация дополнительного питания печей шлаками. На основании разработок Южгипроцемента, подтвержденных в промышленных условиях, показана целесообразность использования для этой цели неразмолотых компонентов. При совместном мокром помоле с гранулированным доменным шлаком влажность сырьевого шлама существенно снижается. Однако при таком способе приготовления сырьевой смеси производительность сырьевых мельниц уменьшается более чем на 30%, а шлакосодержащий шлам склонен к загу-стеванию и осаждению в бассейнах.

Использование неразмолотого шлака для дополнительного питания печей мокрого способа производства клинкера требует раздельного приготовления шлама с последующим смешением его со шлаком перед подачей в печь в отдельном смесителе или же непосредственно в рабочем объеме печи. При организации подачи шлака со шламом необходимо учитывать реологические свойства шлама и его способность транспортировать шлак.

При применении маложелезистых шлаков — доменных и феррохромовых (разновидность шлаков ферросплавного производства) — при создании восстановительных условий плавки в электропечах возможно получение белых цементов. При окислении металлического хрома, содержащегося в феррохромовых шлаках, получают клинкеры с ровной и стойкой зеленой окрадкой.

Что такое феррохромовый шлак

Феррохромовый шлак - это саморассыпающийся шлак ферросплавного производства, содержащий более 70% двухкальциевого силиката.

Химический состав, %: СаO 48-54; SiO2 20-30; Аl2O3 4 - 8; MgO 7-12; Cr2O3 2-12; FeO 0,1-2. Феррохромовый шлак применяют в качестве отвердителя для жидких самотвердеющих смесей.

В портландцемент с минеральными добавками при измельчении клинкера допустимо введение до 35% доменного шлака. При этом практически без изменения активности цемента расход клинкера снижается на 14—16%, а расход топлива уменьшается на 17—18%. По сравнению с бездобавочным цементом наблюдается некоторое понижение прочности на сжатие и изгиб в ранние сроки твердения, увеличивается усадка и повышается водоотделение. Коррозионная стойкость портландцемента с добавкой шлака выше, чем для бездобавочного цемента как при нормальном твердении, так и после тепловлажностной обработки.

Портландцемент с добавкой доменных шлаков обладает достаточно высокой морозостойкостью. Он надежно защищает стальную арматуру в бетоне от коррозии.

Использование добавки шлака в портландцементе является эффективным средством предотвращения вредного влияния щелочных оксидов, что особенно важно при использовании реакционноспособных заполнителей, а также для борьбы с высолообразованием. Хорошие результаты достигаются при использовании в портландцементе смешанной добавки, содержащей доменный шлак и активную минеральную добавку осадочного происхождения.

Шлакопортландцемент — это гидравлическое вяжущее вещество, твердеющее в воде и на воздухе, получаемое совместным тонким измельчением клинкера, требуемого количества гипса и доменного гранулированного шлака (35—80%) или тщательным смешиванием тех же материалов, измельченных раздельно.

Гранулированные доменные шлаки в производстве шлакопортландцемента, так же как и портландцемент применяют не только как активную минеральную добавку, но и в качестве сырьевого компонента цементного клинкера. Вместо доменных шлаков при получении шлакопортландцемента можно применять электротермофосфорные шлаки.

Шлакопортландцемент является одним из наиболее эффективных видов вяжущих, так как при его производстве значительная часть клинкера заменяется более дешевым гранулированным шлаком. При использовании доменных шлаков для производства шлакопортландцемента топливно-энергетические затраты на единицу продукции снижаются в 1,5—2 раза, а себестоимость — на 25—30%. Например, при производстве шлакопортландцемента марки М400 расход топлива в среднем на 36% ниже, чем при производстве бездобавочного портландцемента той же марки. Расход электроэнергии сокращается на 12, а затраты на содержание и эксплуатацию оборудования — на 10—15%.

При обычной температуре измельченные шлаки без активирующих добавок практически не обладают способностью твердеть, что объясняется отсутствием или низким содержанием в них достаточно активных фаз. Практически единственным компонентом шлаков, способным хотя и медленно, но твердеть при нормальной температуре, является Р-двухкальциевый силикат. Ряд других минералов приобретает гидравлические свойства лишь в условиях повышенной температуры и давлении водяного пара, а также введении активизаторов.

Интенсивнее, чем кристаллы, взаимодействуют с водой шлаковые стекла. Гидравлическая активность шлакового стекла зависит от температуры выпускаемого из печи расплава, его химического состава, характера и скорости грануляции.

Важно, особенно для формирования начальной прочности цементов, чтобы условия грануляции обеспечивали получение шлака с плотной стекловидной структурой.

Качество доменных шлаков при производстве цементов характеризуется коэффициентом качества и процентным содержанием оксидов: А1203, MgO, Ti02, MnO. Доменные гранулированные шлаки как компоненты цементов подразделяют на три сорта

Шлакопортландцемент с содержанием шлака 25—40% обычно применяют в тех же условиях, что и обычный портландцемент. Цементы, содержащие 40—80% шлака, используются как низкотермичные в массивных гидросооружениях и в сооружениях, подвергающихся действию агрессивных вод, а также для изготовления изделий при теп-ловлажностной обработке.

Оптимальные свойства шлакопортландцемент приобретает при выборе рационального состава, структуры и соотношения шлакового и клинкерного компонентов цемента, а также их дисперсности. Установлено, что на строительно-технические свойства шлакопортландцемента и бетонов на его основе основные шлаки влияют благоприятнее, чем кислые.

Росту прочности шлакопортландцемента содействует также применение клинкера с повышенным содержанием наиболее активных минералов (C3S + С3А = 65—75%). При этом для кислых шлаков желательно применять алитовые среднеалюминатные клинкеры (C3S = = 60—70%; С3А < 8%). Положительный эффект достигается при использовании в сочетании с доменными шлаками низкотемпературного клинкера, содержащего до 5% свободного СаО, который служит щелочным активизатором.

В процессе гидратации и твердения шлакопортландцемента участвуют шлаковая и клинкерная составляющие. В начальный период процесса гидратации в результате гидролиза минералов-силикатов образуется пересыщенный раствор Са(ОН)2, который в сочетании с гипсом оказывает активизирующее влияние на взаимодействие с водой шлакового стекла. Наряду с обычными продуктами при твердении шлакопортландцемента образуются гелеобразные гидратные соединения с преобладанием низкоосновных гидросиликатов кальция.

Затвердевший шлакопортландцементный камень характеризуется меньшим содержанием кристаллического Са(ОН)2, частично связанного зернами шлака, и более плотной гидросиликатной гелевой структурой. Этими особенностями структуры объясняются высокая водонепроницаемость и устойчивость к агрессивным средам, что и определяет область применения шлакопортландцемента.

Технологическая схема производства шлакопортландцемента ( 2.4) предусматривает сушку гранулированного шлака до остаточной влажности 1—2% и совместное измельчение его с клинкером.

В зависимости от сравнительной сопротивляемости клинкера и шлака измельчению возможны две схемы помола. По первой клинкер предварительно измельчают сначала в первой мельнице, а затем уже во второй совместно со шлаком. Такая схема рациональна при более низкой размалываемости шлака, чем клинкера. Она позволяет обеспечить более тонкий помол клинкера, что ускоряет твердение шлакопортландцемента. При примерно одинаковой размалываемости шлака и клинкера рационален их совместный помол. Одностадийный совместный помол недостаточно эффективен при применении кислых шлаков. Для повышения активности шлакопортландцементов возможен также мокрый помол шлаков и последующее смешивание шлакового шлама в бетономешалке с портландцементом. Положительный эффект также достигается при введении в процессе помола шлакосодержащих цементов добавок—пластификаторов и ускорителей твердения.

Цементная промышленность выпускает обычный, быстротверде-ющий и сульфатостойкий шлакопортландцементы.

При производстве сульфатостойкого шлакопортландцемента используют клинкер с содержанием С3А не более 8% и шлак с содержанием А1203 не более 8%.

Для получения быстротвердеющего шлакопортландцемента рационален двухстадийный помол, т. е. предварительное измельчение клинкера с последующим совместным помолом клинкера и шлака до удельной поверхности не менее 4000 см2/г. Двухстадийный помол обеспечивает более тонкое измельчение клинкерных зерен; он целесообразен при использовании основных шлаков, по размалываемости близких к клинкеру Конечная прочность и другие свойства шлакопортландцемента улучшаются также и при более тонком измельчении шлака.

Исследования на ряде цементных заводов показали, что при содержании в быстротвердеющем шлакопортландцементе шлака 30—40% и удельной поверхности 3500 см2Д достигается прочность через 2— 3 сут 25—30 МПа при марке цемента 500. При удельной поверхности 4000 см2Д прочность цемента при сжатии через 1 сут составляет 15— 20 МПа. При одном и том же расходе цемента на 1 м3 бетона быстро-твердеющий шлакопортландцемент позволяет на 10—30% сократить продолжительность тепловлажностной обработки железобетонных изделий, причем в большинстве случаев прочность после пропарива-ния составляет 70—90% марочной прочности. После тепловлажностной обработки бетоны, приготовленные на быстротвердеющем шлакопортландцементе, продолжают интенсивно набирать прочность.

Шлакопортландцемент не оказывает корродирующего действия на стальную арматуру в железобетонных изделиях и прочно сцепляется с ней.

Строительно-технические свойства шлакопортландцемента характеризуются рядом особенностей по сравнению с портландцементом: более низкой плотностью (2,8—3 г/см3); несколько замедленным схватыванием и нарастанием прочности в начальные сроки твердения. Изготавливают следующие марки шлакопортландцемента: М300; М400; М500. Быстротвердеющий шлакопортландцемент через 2 сут имеет прочность на сжатие не менее 15 МПа. Марка его должна быть не менее М400. Для сульфатостойкого шлакопортландцемента установлены марки М300 и М400.

Для строительства массивных сооружений, работающих в водной среде, кроме высокой стойкости шлакопортландцемента к химической агрессии, важно его пониженное тепловыделение, достигающее к 3-м и 7-м суткам твердения примерно 141 — 197 кДж/кг.

Особенностью шлакопортландцемента, важной для заводского производства сборного железобетона, является интенсивный рост его прочности при пропаривании, особенно в области высоких температур. Наиболее интенсивно растет прочность при изгибе. Одновременно повышаются морозо-, соле- и трещиностойкость. Характерно, что эффективность шлакопортландцемента при тепловлажностной обработке повышается по мере увеличения количества шлака в цементе, что обусловлено образованием при повышенной температуре и щелочно-сульфатной активизации дополнительного количества гидросиликатов кальция и формированием плотной мелкопористой структуры цементного камня.

Пониженное содержание в шлакопортландцементе свободного гидроксида кальция объясняет его более высокую стойкость против агрессивного воздействия мягких и сульфатных вод, а также к повышенным температурам.

Морозостойкость шлакопортландцемента несколько ниже морозостойкости портландцемента; она уменьшается с увеличением содержания шлака. Бетоны на шлакопортландцементе обычно выдерживают 50—100 циклов попеременного замораживания и оттаивания. Существенно повысить морозостойкость бетонов на шлакопортландцементе можно введением воздухововлекающих веществ.

Шлакопортландцемент - универсальный вяжущий материал, его можно эффективно применять для бетонных и железобетонных конструкций, наземных, подземных и подводных сооружений. С применением шлакопортландцемента возведены крупнейшие гидроэлектростанции на Днепре, Енисее и др., он был широко использован для строительства предприятий черной металлургии и других отраслей тяжелой индустрии в Донбассе, на Урале, в Сибири, Закавказье. Шлакопортландцемент успешно применяют для производства сборных железобетонных конструкций и изделий с применением пропарива-ния. Имеется положительный опыт применения шлакопортландцемента для строительства дорог и аэродромов.

Цементы специального назначения. Кроме шлакосодержащих цементов на основе портландцементного клинкера, широко применяемых во всех областях строительства, металлургические шлаки являются сырьевыми материалами для ряда вяжущих, обладающих специальными свойствами.

Некоторые виды шлаков и в частности отвальные шлаки алюмо-термического производства могут использоваться для получения глиноземистого цемента — высокопрочного быстротвердеющего вяжущего, основные свойства которого определяются преобладанием в его составе низкоосновных алюминатов кальция.

Отвальные шлаки алюмотермического производства ферросплавов имеют следующий химический состав

Минералогический состав шлаков представлен в основном глиноземом (70—80%), магнезиальной шпинелью (3—10%) и соединениями титана, хрома и бора в зависимости от разновидности шлака. Перспективным видом сырья для производства обычного глиноземистого цемента являются отмытые шлаки вторичной переплавки алюминия и его сплавов. Предложен способ спекания смеси из указанных шлаков, мела и небольшого количества гипса, который позволяет получать глиноземистый цемент с высокими строительно-техническими свойствами.

Глиноземистый шлак может быть использован для получения расширяющегося цемента. В НИИцементе Ю.Ф. Кузнецовой и И.В. Кравченко предложен расширяющийся портландцемент (РПЦ), который состоит из портландцементного клинкера — 60—65%; глиноземистого шлака — 5—7%; двуводного гипса — 7—10%; и гидравлической добавки — 20—25%. Портландцементный клинкер должен содержать не менее 7% С^А и не менее 55% C3S. В природном двуводном гипсе должно быть не менее 95% CaS04 * 2Н20.

Дефицитность глиноземистого шлака заставила искать более доступный его заменитель. В 1965 г. И.В. Кравченко и Г.И. Чистяковым был предложен расширяющийся портландцемент, в котором был применен отход сталеплавильного производства — сталерафинировочный глиноземистый шлак. Исследования показали, что замена глиноземистого шлака сталерафинировочным шлаком, имеющим несколько иной минералогический состав, не ухудшила строительно-технических свойств расширяющего портландцемента. Активная минеральная добавка в составе расширяющегося портландцемента может быть представлена осадочными горными породами типа трепелов или опок или доменным гранулированным шлаком. При выпуске РПЦ осуществляют совместный помол указанных материалов до тонкости помола, характеризующейся остатком на сите № 02 не более 1 % и на сите № 008 - не более 7%.

На основе металлургических шлаков предложен ряд тампонажных вяжущих и растворов для тампонирования нефтяных и газовых скважин. В процессе цементирования существенное значение имеют структурно-механические свойства тампонажных растворов. Интенсивное загустевание цементных суспензий часто является причиной серьезных осложнений при цементировании. Шлаковые растворы в течение длительного времени после затворения не подвергаются за-густеванию. Однако существенным недостатком шлаковых растворов является большая водоотдача. Снижение водошлакового отношения способствует повышению вязкости растворов и ускоряет их схватывание.

Весьма важным свойством шлакового тампонажного цемента является коррозионная стойкость камня, находящегося в контакте с агрессивными пластовыми водами. Коррозионным процессом для портландцемента и цементно-бентонитовых смесей в основном является выщелачивание извести. Наиболее интенсивно этот процесс протекает в первые три месяца твердения. В условиях высоких температур вследствие ускорения проницаемости портландцементного камня последний еще больше подвергается коррозии. При температуре 100 °С в камне из чистого портландцемента в агрессивной среде через один год количество извести уменьшилось на 21,44% по сравнению с первоначальным ее содержанием. Шлаковый камень, твердеющий при высоких температурах и давлениях, ведет себя иначе. С повышением температуры даже в условиях агрессивной среды гидратационная активность шлакового цемента и прочность камня возрастают. Концентрация извести в его составе уменьшается на 4—6% по сравнению с исходной. Поэтому в агрессивной среде в условиях высоких температур и давлений шлаковый цемент имеет существенное преимущество перед портландцементом.

Отмеченные выше свойства характеризуют шлаковый цемент как тампонажный материал, удовлетворяющий основным требованиям цементирования высокотемпературных скважин. Однако при введении активаторов шлаки могут быть применены при температурах значительно ниже 120 °С. В качестве активирующего компонента наиболее эффективным является портландцемент.

Медленно схватывающиеся шлаковые растворы при введении в них незначительного количества тампонажного цемента приобретают почти те же сроки схватывания, что и тампонажные растворы. Шлакопортландцементные растворы являются хорошим тампонаж-ным материалом, дающим камень высокой плотности. При добавлении к шлаку 10—20% портландцемента сроки схватывания раствора при температуре 22 °С сокращаются почти в 10 раз (с 50—60 до 6—7 ч). При высоких температурах незначительные добавки портландцемента к шлаку приводят к более резкому ускорению сроков схватывания.

Так, при введении 10% портландцемента в шлак, начало схватывания раствора при 75 °С наступает в 25—30 раз быстрее.

Регулирование сроков схватывания количеством добавляемого портландцемента не всегда эффективно. В качестве ускорителей сроков схватывания шлакопортландцементных растворов могут быть применены хлористый кальций или хлористый натрий.

В основном, шлакопортландцемент в «холодных» скважинах применяется для повышения коррозионной стойкости камня при изоляции агрессивных пластовых вод.

Шлакопесчаный цемент приготавливается путем совместного помола шлака с песком. При этом получаются тампонажные материалы с гаммой разнообразных свойств, обеспечивающие необходимое качество цементирования скважин при различных условиях.

Несмотря на то, что молотый песок обладает большей удельной поверхностью, чем песок естественной крупности, шлаковые растворы, приготовленные с добавлением молотого песка, в отличие от аналогичных цементно-песчаных растворов, не подвергаются интенсивному загустеванию в течение длительного времени после их приготовления. Это обстоятельство имеет большое значение при прокачивании раствора в скважину

Введение молотого песка в шлаковый раствор не только позволяет увеличивать сроки схватывания, но и положительно влияет на физико-механические свойства камня. Сроки схватывания раствора и прочность камня зависят от содержания песка и тонкости его помола. С увеличением дозировки песка сроки схватывания возрастают. Добавка песка в шлак в количестве 20—60% в смеси повышает прочность камня. Такая же дозировка песка обеспечивает снижение его водо- и газопроницаемости.

На основе некоторых видов шлаков и, в частности, феррохромо-вого можно получать цветные цементы и пигменты.

Поскольку состав феррохрома строго нормируется, колебания химического состава феррохромового шлака незначительны, что гарантирует стабильность технологического процесса получения цементов и пигментов на основе феррохромового шлака.

Феррохромовый шлак представляет собой серый порошкообразный материал с высокой дисперсностью, которая объясняется полиморфным превращением Р-двухкальциевого силиката в у-модификацию, сопровождающимся увеличением объема. При этом удельная поверхность шлака равна 2500—2800 см2Д. Данные седиментационного анализа показали, что содержание тонких фракций (размером менее 40 мкм) составляет более 70%.

Учитывая близость химического состава феррохромового шлака к портландцементу, наличие в нем ряда модифицирующих элементов и оксида хрома — сильного хромофора, этот вид шлака можно использовать в качестве основного компонента сырьевой смеси для получения цветных цементов, в частности, для получения зеленого цемента и пигментов широкой цветовой гаммы. По своим характеристикам зеленый цемент на основе феррохромового шлака полностью отвечает требованиям ГОСТ. При этом температура обжига цементного клинкера значительно ниже температуры обжига декоративных цементных клинкеров, выпускаемых цементными заводами.

Бесклинкерные шлаковые вяжущие — это продукты тонкого измельчения шлаков, содержащие добавки активизаторов их твердения.

Шлаки способны самостоятельно твердеть при нормальных условиях лишь при существенном содержании в них гидравлически активных фаз, например, Р-двухкальциевого силиката. Содержание таких фаз в шлаках обычно незначительно и они при нормальных условиях или при пропаривании в условиях атмосферного давления не твердеют или твердеют очень медленно и характеризуются невысокой прочностью. При использовании гранулированных шлаков с высоким содержанием стекла их твердение можно вызвать введением добавок — активизаторов, способствующих проявлению потенциальных вяжущих свойств шлакового стекла. Различают щелочную, сульфатную и комбинированную активизацию шлаков.

В качестве щелочных активизаторов шлака используют известь, а также натриевые и калиевые щелочные соединения. При сульфатной активизации в шлаки вводится добавка сульфата кальция обычно в виде гипса или ангидрита.

Введение добавок-активизаторов нарушает термодинамически неустойчивое равновесие шлакового стекла, способствует его перестройке с образованием гидросиликатов, гидроалюмосиликатов, что сопровождается твердением и синтезом искусственного камня. При повышенном содержании щелочной добавки, характерном для шлакощелочных вяжущих, возможно образование щелочных гидроалюмосиликатов, способствующих твердению шлаков.

Сульфатная активизация шлаков приводит к образованию в твердеющей системе «шлак — сульфат кальция — вода» гидросульфоалю-минатов кальция. Комбинированная — щелочно-сульфатная активизация шлаков характерна в композиции их с портландцементом, содержащим гипс, и образующим в результате гидролиза клинкерных минералов гидроксид кальция.

Активизаторы тщательно смешивают со шлаком при их совместном измельчении (сульфатно-шлаковые, известково-шлаковые вяжущие) или затворении водными растворами (шлакощелочные вяжущие).

Сульфатно-шлаковые цементы — это гидравлические вяжущие вещества, получаемые совместным тонким измельчением доменных шлаков и сульфатного возбудителя твердения (гипса или ангидрита) с небольшой добавкой щелочного активизатора (извести, портландцемента или обожженного доломита).

Широкое распространение из группы сульфатно-шлаковых получил гипсошлаковый цемент, содержащий 75—85% шлака, 10—15 дву-водного гипса или ангидрита, до 2% оксида кальция или 5% портланд-цементного клинкера. Высокая активизация обеспечивается при использовании ангидрита, обожженного при температуре около 700 °С, и высокоглиноземистых основных шлаков. По мере уменьшения основности шлаков целесообразно увеличение концентрации извести (от 0,2 г/л СаО для основных шлаков до 0,4—0,5 г/л для кислых).

Разновидностью этой группы цементов является также шлаковый бесклинкерный цемент, состоящий из 85—90% шлака, 5—8% ангидрита и 5—8% обожженного доломита. Степень обжига доломита зависит от основности шлаков. При использовании основных шлаков обжиг ведут при температуре 800—900 °С до частичного разложения СаС03, а кислых — при температуре 1000—1100 °С до полной диссоциации СаС03 ( 2.5).

 Активность сульфатно-шлаковых цементов существенно зависит от тонкости измельчения. Высокая удельная поверхность вяжущих (4000—5000 см2Д) достигается с помощью мокрого помола. При высокой тонкости измельчения и рациональном составе прочность этих цементов не уступает прочности портландцемента. Однако недостатком сульфатно-шлаковых цементов является быстрое снижение активности при хранении; характерным для них является связывание повышенного количества воды при гидратации, что вызывает в бетонах значительный сдвиг оптимальных В/Ц в сторону больших значений (до 0,5—0,65). Пониженная пластичность сульфатно-шлаковых цементов обусловливает существенное снижение прочности бетонов на их основе по мере отощения, т. е. увеличения содержания заполнителей.

Оптимальная температура твердения этих цементов 20—40 °С, при более низких температурах или более высоких прочность снижается.

Как и другие шлаковые вяжущие, сульфатно-шлаковые цементы имеют небольшую теплоту гидратации к 7 сут, что позволяет применять их при возведении массивных гидротехнических сооружений. Этому способствует также их высокая стойкость к воздействию мягких и сульфатных вод. Химическая стойкость сульфатно-шлаковых цементов выше, чем шлакопортландцемента, что делает их применение целесообразным в различных агрессивных условиях.

Сульфатно-шлаковые вяжущие твердеют сравнительно медленно. Их марки Ml50—М300. В течение первых 2—3 недель твердения бетоны на этих вяжущих необходимо предохранять от высыхания. В противном случае поверхностный слой конструкций становится недостаточно прочным.

Для изготовления сульфатно-шлаковых вяжущих целесообразно применять основные доменные шлаки с повышенным (10—20%) содержанием глинозема. Для кислых шлаков желательно, чтобы модуль основности был не менее 0,8 и модуль активности не ниже 0,45. Арматура в бетонах на сульфатно-шлаковых вяжущих при повышенной влажности подвергается коррозии.

Известково-шлаковые цементы — это гидравлические вяжущие вещества, получаемые совместным помолом доменного гранулированного шлака и извести ( 2.6). Их применяют для изготовления строительных растворов и бетонов марок не более М200. Для регулирования сроков схватывания и улучшения других свойств этих вяжущих при их изготовлении вводится до 5% гипсового камня. Цементы более высокого качества можно получить, применяя основные шлаки с повышенным содержанием глинозема и негашеную известь, содержание которой 10—30%.

Известково-шлаковые цементы по прочности уступают сульфатно-шлаковым. Их марки: М50, М100, Ml50, М200. Начало схватывания должно наступать не ранее чем через 25 мин, а конец — не позднее чем через 24 ч после начала затворения. При снижении температуры, особенно после 10 °С, нарастание прочности резко замедляется и, наоборот, повышение температуры при достаточной влажности среды способствует интенсивному твердению. Твердение на воздухе возможно лишь после достаточно продолжительного твердения (15— 30 сут) во влажных условиях. Для известково-шлаковых цементов характерны низкая морозостойкость, высокая стойкость в агрессивных водах и малая экзотермия.

Шлаковые вяжущие для бетонов автоклавного твердения — это продукты тонкого измельчения мартеновских, ваграночных и некоторых других низкоактивных при нормальном твердении шлаков с активи-заторами твердения, которыми служат цемент или известь (10—20%) и гипс (3—5%). Их активность особенно проявляется при тепловлаж-ностной обработке в автоклавах под давлением 0,8—1,5 МПа при температуре 170—200 °С. Прочность при сжатии автоклавированных образцов из пластинных растворов состава 1:3 достигает 20—30 МПа и более. Получают их, в основном, так же как известково- и сульфатно-шлаковые цементы. До дробления и помола из шлаков отделяют с помощью магнитных сепараторов металлические включения. Размалывают вяжущие вещества до остатка на сите № 008 не более 10—15%.

Способностью интенсивно твердеть при автоклавной обработке обладают не только тонкоизмельченные гранулированные, но и отвальные металлургические шлаки. Последние состоят в основном из кристаллических фаз, неспособных твердеть при 20—100 °С. При более высоких температурах они взаимодействуют с водяным паром и образуют гидратные соединения, что сопровождается твердением шлаков. Твердению отвальных шлаков в автоклавах способствует добавка к шлакам химических активизаторов, а также механическая активизация — тонкое измельчение на бегунах, в шаровых и вибрационных мельницах и т. д.

Обширные исследования по получению и применению автоклавных материалов на основе металлургических шлаков проведены в Московском инженерно-строительном институте под руководством А.В. Волженского. Было показано при использовании шлаков различных заводов, что если значения прочности образцов нормального твердения находятся в пределах от 0,8 до 5,8 МПа, то прочность ав-токлавированных образцов изменяется от 12,2 до 36,1 МПа.

В условиях автоклавного твердения приобретают способность твердеть немолотые шлаки, саморассыпающиеся в результате перехода минерала 2CaOSi02 из |3- в у-форму. Особенностями шлаковых вяжущих автоклавного твердения являются пониженные усадка на воздухе и набухание во влажной среде, высокая стойкость по отношению к мягким и сульфатным водам.

Шлакощелочные вяжущие — это гидравлические вяжущие вещества, получаемые измельчением гранулированных шлаков совместно со щелочными компонентами или затворением молотых шлаков растворами соединений щелочных металлов (натрия или калия), дающих щелочную реакцию

Шлакощелочные вяжущие предложены и исследованы под руководством В.Д. Глуховского в Киевском национальном университете строительства и архитектуры.

Для получения шлакощелочных вяжущих применяют гранулированные шлаки — доменные, электротермофосфорные, цветной металлургии. Необходимое условие активности шлаков — это наличие стекловидной фазы, способной взаимодействовать со щелочами. Тонкость помола должна соответствовать удельной поверхности не менее 3000 см2Д.

В качестве щелочного компонента применяют каустическую и кальцинированную соду, поташ, растворимый силикат натрия и др. Обычно используют также попутные продукты промышленности: плав щелочей (содовое производство); содощелочной плав (производство капролактама); содопоташную смесь (производство глинозема); цементную пыль и т. п. Использование щелочесодержащих отходов позволяет получать значительные объемы шлакощелочных вяжущих. Оптимальное содержание щелочных соединений в вяжущем в пересчете на Na20 составляет 2—5% массы шлака.

 Для шлаков с модулем основности (М0) больше единицы могут применяться все щелочные соединения или их смеси, дающие в воде щелочную реакцию, для шлаков с М0 < 1 только едкие щелочи и щелочные силикаты с модулем 0,5—2, несиликатные соли слабых кислот и их смеси могут быть использованы только в условиях тепловлаж-ностной обработки.

Высокая активность соединений щелочных металлов, по сравнению с соединениями кальция, дает возможность получить быстро-твердеющие, высокопрочные вяжущие. Наличие щелочей интенсифицирует разрушение и гидролитическое растворение шлакового стекла, образование щелочных гидроалюмосиликатов и создание среды, способствующей образованию и высокой устойчивости низко<эсновных кальциевых гидросиликатов. Малая растворимость новообразований, стабильность структуры во времени являются решающими условиями долговечности шлакощелочного камня.

Начало схватывания этих вяжущих не ранее 30 мин, а конец — не позже 12 ч от начала затворения.

По пределу прочности при сжатии через 28 сут шлакощелочные вяжущие подразделяют на марки от М300 до М1200. Для ускорения набора прочности и уменьшения деформативности в вяжущее вводят добавку цементного клинкера (2—6%, масс). Предел прочности при сжатии быстротвердеющего шлакощелочного вяжущего в возрасте 3 сут для марок М400 и М500 составляет не менее 50% марочной прочности, а для марок М600—М1200 — не менее 30 МПа.

Шлакощелочные вяжущие восприимчивы к действию тепловлаж-ностной обработки. При температуре пропаривания 80—90 °С цикл обработки может быть сокращен до 6—7 ч, активная часть режима составляет 3—4 ч. Можно значительно снизить и максимальную температуру пропаривания, а также использовать ступенчатые и пиковые режимы обработки.

Контракция шлакощелочных вяжущих в 4—5 раз меньше, чем у портландцемента, вследствие чего они имеют более низкую пористость, что обеспечивает их высокую водонепроницаемость, морозостойкость, относительно низкие показатели усадки и ползучести. Несмотря на интенсивный рост прочности в ранние сроки твердения, тепловыделение у них невысоко (в 1,5—2,5 раза меньше, чем у портландцемента).

Шлакощелочные вяжущие обладают высокой коррозионной стойкостью и биостойкостью. Щелочные компоненты выполняют роль противоморозных добавок, поэтому вяжущие интенсивно твердеют при отрицательных температурах.

Исследованиями В.Д. Глуховского, П.В. Кривенко, Е.К. Пушкаре-вой, Р.Ф. Руновой и др. разработан ряд специальных шлакощелочных вяжущих: высокопрочных, быстротвердеющих, безусадочных, корро-зионностойких, жаростойких, тампонажных.

Экономическая эффективность их высока. Удельные капиталовложения на производство этих вяжущих в 2—3 раза меньше, чем при производстве портландцемента, так как отсутствуют фондо-, капитале- и материалоемкие технологические операции: не нужны разработка месторождений, подготовка сырья, дробление, обжиг и др. Например, сравнивая затраты на производство шлакощелочных вяжущих марок М600—М1200 и портландцемента марки М600, увидим, что их себестоимость ниже в 1,7—2,9 раза, удельный расход условного топлива—в 3—5, электроэнергии — в 2, приведенные затраты — в 2— 2,5 раза меньше, чем при производстве портландцемента.