Для студентов обучающихся по специальности «Производство строительных изделий и конструкций»

Минеральные вяжущие вещества

Раздел: Быт. Хозяйство. Строительство. Техника

Шлакопортландцементом называется гидравлическое вяжущее, получаемое путем тонкого измельчения портландцементного клинкера совместно с гранулированным доменным или электротермофосфорным шлаком, а также с двуводным гипсом. Для получения быстротвердеющего шлакопортландцемента порошок портландцемента иногда размалывают с гранулированным шлаком. Шлака з шлакопортландцементе должно быть не менее 21 % и не более 80 % по массе (ГОСТ 10178—76, с изм.). Гипс вводят в шлакопортландцемент для регулирования сроков схватывания, а также в качестве активизатора твердения шлака.

По своим физико-механическим свойствам шлакопортландцемент близок к обычному портландцементу, но выгодно отличается от него более низкой стоимостью, При прочих равных условиях стоимость его на 15—20 % ниже стоимости портландцемента. Сейчас примерно около 25 % всего выпускаемого в нашей стране цемента приходится на долю шлакопортландцемента. В значительных количествах издавна выпускается он во Франции, ГДР, ФРГ, США, Англии и других странах.

Клинкер на заводах шлакопортландцемента целесообразно изготовлять с применением в качестве глинистого компонента гранулированного шлака. Близость химических составов доменных шлаков и портландцемента позволяет получать сырьевую смесь надлежащего качества при небольших добавках известняка. Это уменьшает расход топлива на диссоциацию карбоната кальция и, следовательно, на обжиг цемента. Сырьевую смесь готовят тонким измельчением шлака и известняка, взятых в установленном соотношении.

Для получения клинкера можно применять медленно охлажденные доменные шлаки, однако их дробление и помол требуют повышенных затрат электроэнергии, и поэтому обычно предпочитают использовать гранулированные шлаки.

Гранулированный шлак предварительно сушат в сушильных барабанах или, что эффективнее, в специальных установках в условиях кипящего слоя до влажности, не превышающей 1—2%. В этих установках паро-съем достигает 230—250 кг/м3 при расходе теплоты 4190—4600 кДж/кг испаренной воды. Шлак не следует нагревать выше 600—700 °С, так как при более высокой температуре он может расстекловываться, что вызывает уменьшение его гидравлической активности.

Высушенный шлак, портландцементиый клинкер и гипс дозируют и направляют на помол в шаровые мельницы. Для облегчения помола можно вводить спецнальиые добавки в количестве до 1 % по массе цемента (ПАВ, уголь и др.), не ухудшающие его качество.

Быстротвердеющий шлакопортландцемент обладает более интенсивным, чем обычные шлакопортландцемен-ты, нарастанием прочности в начальный период твердения. Его изготовляют тонким измельчением до 4000— 5000 см2/г высококачественных клинкеров и активных гранулированных шлаков, смешиваемых в строго установленном соотношении.

Содержание основных гранулированных шлаков в обычном шлакопортландцементе достигает 50—60%, а кислых — 30—50 % (в зависимости от качества шлака и клинкера). Иногда в шлакопортландцементах до 8—10 % шлака заменяют кислой активной кремнеземистой добавкой (трепел, опока и т. п.), что, по мнению некоторых исследователей, способствует значительному увеличению его прочности (Феррари и др.). В остальном производственные процессы и оборудование, применяемое на заводах шлакопортландцемента, подобны тем, какие используются на заводах портландцемента.

Процессы твердения шлакопортландцемента более сложны, чем обычного портландцемента, поскольку в реакции с водой участвуют оба его компонента: клинкер и гранулированный доменный или электротермофосфор-иый шлак.

При затворении шлакопортландцемента во взаимодействие с водой в первую очередь вступают клинкерные частички. Первоначально в основном образуются те же соединения, что и при гидратации портландцемента. При обычных температурах гидратация C3S и C2S в клинкерной составляющей приводит вначале (когда в твердеющем тесте имеется пересыщенный раствор гидроксида кальция) к образованию волокнистых гидросиликатов кальция состава (1,7—2)Ca0-SiO2- (2—4)Н20, обозначаемых общей формулой C2SH, по Р. Боггу, или С—S—Н (II), по X. Тейлору. В дальнейшем вследствие снижения концентрации гидроксида кальция в растворе, частично поглощаемого шлаковым компонентом, образуются менее основные гидросиликаты состава (0,8— — l,5)CaO.Si02-2,5H20 типа CSH (В), по Р. Боггу [С—S—Н (I), по X. Тейлору].

Параллельно при гидратации C3S и C2S выделяется и гидроксид кальция. Гидратация С3А и C4AF портландцемента на начальной стадии его взаимодействия  с водой приводит к образованию соответственно С4АН13 и C4FHi3, Одновременно гипс взаимодействует с алюминатами кальция с образованием C3A-3CaSQ4-(30—32)Н20, регулирующего схватывание шлакопортландцемента. Но по мере вовлечения доменного шлака в реакции гидролиза и гидратации под воздействием щелочной и сульфатной активизации и взаимодействия его с гидроксидом кальция состав новообразований претерпевает значительные изменения. Преобладающими в них оказываются CSH (В) и метастабильный двухкальциевый гидроалюминат С2АН8.

Ряд исследований дает основание полагать, что в этих условиях образуется также гидрогеленит 2СаО-•Al203-Si02-8H20 или же гидрогранаты общей формулы C3Ai_*F*S2H6-22, а трехсульфатная форма гидросульфо-алюмината кальция преобразуется в односульфатную 3CaO-Al203-CaS04-12H20.

Механизм взаимодействия шлакового стекла с водой под воздействием щелочной и сульфатной активизации уже разобран ранее.

Таким образом, в затвердевшем шлакопортландцементе преобладают низкооснбвные гидросиликаты кальция, образующиеся в высокодисперсном гелевидном состоянии. Это отражается на его технических свойствах (повышенные по сравнению с портландцементом усадочные деформации затвердевшего камня при его увлажнении и высыхании и др.).

Вместе с тем при надлежащем составе вяжущего отсутствие или незначительное содержание в цементном камне свободного гидроксида кальция и переход глинозема в низкооснбвные гидроалюминаты или гидрогеленит способствуют повышению сульфатостойкости шлакопортландцементов   по сравнению  с портландцементами.

При твердении шлакопортландцементов при повышенных температурах (80—95°С) состав новообразований практически остается таким же, как и при твердении при обычных температурах (10—25 °С). В процессе же твердения этих вяжущих в автоклавах при 174,5— 200 °С и давлении насыщенного водяного пара 0,8— 1,5 МПа (изб.) возникают иные новообразования, из которых свойства цементного камня определяют гидросн-лнкаты состава (1,8—2,4)CaO-Si02- (1 —1,25)НаО с общей формулой C2SH (A), CSH (В) и гидрогранаты. Одновременно   при   автоклавной   обработке   значительно увеличивается размер частичек новообразований, часть которых становится видимой в оптический микроскоп.

Как показывают исследования, твердение шлакопортландцемента на основе доменного шлака при обычной температуре сопровождается связыванием воды, не испаряющейся при 105 °С, в количестве 15% массы вяжущего (через 28 сут твердения смесей с В/Ц — 0,35...0,65). При этом возникают контракционные поры, суммарный объем которых равен 0,4—0,5 см3/г связанной воды, не испаряющейся при 105 °С. Пористость при твердении портландцементов достигает в среднем 0,28 см3/г неис-паряющейся воды.

Истинная плотность шлакопортландцемента колеблется в пределах 2,8—3 г/см3, уменьшаясь с увеличением содержания в цементе гранулированного доменного шлака. Плотность в рыхлойасыпном состоянии 900—1200, а в уплотненном —1400—1700 кг/м3.

Водопотребность шлакопортландцемента существенно не отличается от водопотребностн обычных портландцементов. В ряде случаев при равной удобообрабатываемо-сти в растворные или бетонные смеси на шлакопортландцементе нужно добавлять воды меньше, чем при использовании портландцемента.

Водоотделение из теста, полученного затворением шлакопортландцемента, несколько больше, чем из теста портландцемента. С увеличением тонкости помола его водоудерживающая способность значительно возрастает.

Скорость схватывания зависит от химического состава шлака и соотношения в шлакопортландцементе шлака и портландцемеитного клинкера, а также от содержания гипса. Добавление 30—50 % шлака к быстросхватывающемуся измельченному клинкеру (даже без гипса) позволяет получать, как правило, нормально и медленно схватывающийся продукт. Введение гипса, замедляя схватывание портландцемеитного клинкера, значительно ускоряет схватывание шлакопортландцемента, возбуждая гидравлическую активность шлака.

Обычный шлакопортландцемент, содержащий 50— 60 % шлака, схватывается медленнее, чем рядовой портландцемент. Однако он удовлетворяет общим для всех клинкерных цементов нормам: начало схватывания — не ранее 45 мин и конец — не позднее 10 ч. Шлакопортландцемент соответственно ГОСТ 10178—76 (с изм.) разделяют по показателям прочности на марки 300, 400 и 500.

Активность шлакопортландцемента при одинаковой тонкости помола определяется, главным образом, оптимальным для данного шлака химическим и минеральным составом клинкера и соотношением между шлаком и клинкером. Для производства шлакопортландцемента предпочтителен клинкер активностью 40—50 МПа с умеренно повышенным содержанием С3А (до 12 %) и преобладанием C3S в силикатной части.

Шлакопортландцемент характеризуется относительно медленным нарастанием прочности в начальные сроки твердения, что особенно ощутимо при испытании образцов из пластичного раствора. В более отдаленные сроки твердения прочность обыкновенного шлакопортландцемента возрастает и через 2—3 мес даже превосходит прочность портландцемента той же марки.

Рядовой шлакопортландцемент по сравнению с портландцементом при схватывании и твердении более чувствителен к влиянию температуры окружающей среды. При пониженных положительных температурах (2—6°С) его схватывание и твердение значительно замедляются, а при тепловлажностной обработке резко ускоряются. Термообработка бетонов на шлакопортландцемеите при 80—95°С способствует ускорению процессов твердения, причем через 28 сут прочность пропаренных бетонов в 1,5—2 раза превосходит прочность тех же бетонов, твердевших при обычной температуре (15—20 °С).

Активность обычных шлакопортландцементов и портландцементов, измельченных до удельной поверхности около 3000 см2/г, при длительном хранении изменяется примерно одинаково. Быстротвердеющий же шлакопортландцемент при хранении вследствие значительной удельной поверхности относительно быстро теряет активность и особенно способность к интенсивному росту прочности в ранние сроки твердения (1—3 сут). Поэтому быстротвердеющие шлакопортландцементы следует применять после изготовления в первые 5—7 сут и во всяком случае не позднее двух недель. В эти сроки прочность цемента при хранении снижается относительно мало.

Шлакопортландцемент при твердении обычно отличается равномерным изменением объема. Даже при использовании клинкеров с повышенным коэффициентом насыщения, содержащих до 3,5 % СаОСВоп и поэтому непригодных   для   получения   портландцемента,    СаОсвоб   в шлакопортландцементе связывается шлаком и не вызывает неравномерности изменения объема. Шлакопортландцемент менее чувствителен и к повышенным добавкам гипса.

Тепловыделение при твердении шлакопортландцемента меньше, чем у портландцемента, причем тем меньше, чем больше в нем шлака, и тем значительнее, чем выше его удельная поверхность

Тепловыделение быстротвердеющего шлакопортландцемента примерно такое же, как и портландцемента.

Усадка и набухание шлакопортландцемента при одинаковой тонкости помола характеризуются приблизительно такими же показателями, что и усадка и набухание обычного портландцемента. С увеличением содержания в клинкере C2S и повышением тонкости помола усадка и набухание шлакопортлаидцемеита, как и портландцемента, возрастают.

Быстротвердеющий шлакопортландцемент вследствие высокой удельной поверхности обладает повышенной усадкой, достигающей через 3 мес 0,6—0,7 мм/м (у образцов из пластичного раствора 1:3). Поэтому его не следует применять в тех областях строительства, где предъявляются особые требования к значению усадочных деформаций, например при устройстве дорожных покрытий в условиях сухого и жаркого климата. По интенсивности миграции влаги бетоны на шлакопортлаидцемен-тах и портландцементах практически равноценны.

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

Стойкость шлакопортландцементов при воздействии мягких и сульфатных вод выше, чем портландцементов. В частности, против сульфатной агрессии более стойки шлакопортландцемеиты с пониженным количеством клинкера, содержащие кислые малоалюминатные шлаки с повышенным (до 8—10 %) количеством MgO. Вместе с тем необходимо отметить, что шлакопортландцемеиты такого состава часто характеризуются невысокой активностью.

Повышенная стойкость шлакопортландцементов в мягких водах объясняется образованием при их твердении цементирующих новообразований пониженной основности и незначительным содержанием в цементном камне гидроксида кальция. В связи с этим для частей сооружений, постоянно находящихся в воде, в частности речной, предпочтительнее шлаковые портландцементы, а не обычный портландцемент.

Значительное снижение концентрации гидроксида кальция в жидкой фазе твердеющего шлакопортландцемента уменьшает возможность образования трехсульфат-ной формы гидросульфоалюмината кальция (эттрингита) при проникании сульфатных вод. Поэтому в затвердевшем цементном камне не возникают вредные объемные деформации, нарушающие его структуру. Этим объясняется более высокая стойкость шлакопортландцементных бетонов в минерализованных сульфатных водах по сравнению со стойкостью бетонов на портландцементе. В кислых и углекислых водах, где степень разрушения цементного камня мало зависит от содержания в нем Са(ОН)2, стойкость шлакопортландцемента примерно такая же, как и портландцемента.

Сохранность стальной арматуры в бетонах на шлакопортландцементе вполне удовлетворительная и почти такая же, как в портландцементных бетонах.

Морозостойкость шлакопортландцемента несколько ниже морозостойкости портландцемента; она уменьшается с увеличением 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.