СПЕЦИАЛЬНЫЕ ЦЕМЕНТЫ

Шлакопортландцемент

Оборудование для фасовки и перегрузки цемента - шайтан-труба и другое

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 шлакопортландцемента до 3200—3000 см2/г позволяет повысить его прочность примерно до прочности чистого портландцемента с удельной поверхностью — 3000 см2/г.

Клинкер для шлакопортландцемента должен иметь такой минералогический состав и структуру, чтобы были обеспечены твердение и высокая прочность «клинкерной части» в составе шлакоПортландцемента. Целесообраз­но, чтобы по физико-химической характеристике он при­ближался бы к клинкерам высокопрочных быстротвер - деющих портландцементов. Гипс ускоряет схватывание шлакопортландцемента, однако дозировку его нужно устанавливать экспериментально. Содержание шлака и других активных добавок в составе цемента составило в 1980 г. в среднем по промышленности 21,7%. Наиболее быстрое твердение происходит при 30—40% шлака.

По ГОСТ к шлакопортландцементу 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 пуццолановых 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 шлакопортландце­мента— в нормальных температурно-влажностных ус­ловиях возрастает значительно больше — примерно в 2,5 раза.

Твердение шлакопортландцемента 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), + 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 SO Г".

В результате создается среда, способная вызвать ще-' лочное 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. Шлакопортландцемент 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 шлакопортландцемента 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 шлакопортландцемента 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 - влажиостная 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% С3А 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 (Днепрогес, 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.