5. Шлакопортландцемент

Доменні шлаки для виготовлення різного роду будівельних матеріалів використовуються у нас більше 100 років. У 1865 р., незабаром після того, як стали застосовувати грануляцію шлаків водою і були виявлені їх гідравлічні властивості, виникло виробництво стінових каменів із суміші вапна і шлаку. У 90-х роках минулого сторіччя в нинішньому Дніпропетровську та Кривому Розі побудували набивним способом перші великі будівлі з шлакобетону. Пізніше, в 1913-1914 рр.., У Дніпропетровську був збудований перший завод шлакопортландцементу. Приблизно в той же час виробництво його було організовано на Косогорский металургійному заводі в Тулі. В даний час обсяг виробництва шлакопортландцементу у нас в країні сягає близько 30% загального випуску цементу.

Шлакопортландцемент є гідравлічним в'яжучим речовиною, одержуваних шляхом спільного тонкого подрібнення клінкеру і висушеного гранульованого доменного шлаку зі звичайною добавкою гіпсу; шлакопортландцемент можна виготовити ретельно змішуванням тих же матеріалів, подрібнених роздільно.

За ГОСТ доменного шлаку в цьому цементі повинна бути не менше 21% і не більше 60% маси цементу; частина шлаку можна замінити активної міні ральної добавкою (трепелом) (не більше 10% маси цементу),, що сприяє поліпшенню технічних властивостей в'яжучого. У шлакопортландцементі, призначаються для застосування в масивних гідротехнічних спорудах, граничний вміст шлаку не регламентується і встановлюється за згодою сторін. Різновидами шлакопортландцементу є нормальний швидкотверднучий і сульфатостійкий. Технологія виробництва шлакопортландцементу відрізняється тим, що гранульований доменний шлак піддається сушінню при температурах, що виключають можливість його рекристалізації, і у висушеному вигляді подається в цементні млини. При помелі шлакопортландцементу продуктивність багатокамерних трубних млинів знижується, що пояснюється, мабуть, низькою середньою щільністю шлаку, що обмежує можливість достатнього заповнення по масі обсягу млинів. Інші результати виходять при вживанні кислих шлаків як мокрій, так і особливо напівсухий грануляції. При спільному помелі з клінкером ці шлаки, хоча вони і в значній мірі осклованих, не зосереджуються в найтонших фракціях цементного порошку. Наявність великих зерен шлаку в складі шлакопортландцементу дещо уповільнює процес твердіння.

Для отримання кожного компонента з найбільш прийнятною для нього тонкістю помелу слід розмелювати клінкер і шлак роздільно. У залежності від порівняльної опірності клінкеру і шлаку подрібненню приймають дві схеми помелу. За першою клінкер попередньо подрібнюють спочатку в першій млині, а потім вже в другій спільно з шлаком. Така схема рекомендована Південдіпроцемент для отримання швидкотверднучого шлакопортландцементу. Вона раціональна при більш низькій размаливаемості шлаку, ніж клінкеру. У цьому випадку досягається особливо тонкий помел клінкера, що прискорює твердіння шлакопортландцементу.

Друга схема передбачає звичайний спільний помел шлаку та клінкеру при приблизно однаковій їх размаливаемості. У цьому випадку ізмаливаемие компоненти ще додатково стирається один одного. Висока тонкість помелу - розвинена питома поверхня - особливо важлива для клінкерної частини цементу. При цьому також проявляється фізико-хімічна потенційна активність шлаку. Збільшення питомої поверхні шлакопортландцементу до 3200-3000 см2 / г дозволяє підвищити його міцність приблизно до міцності чистого портландцементу з питомою поверхнею - 3000 см2 / г.

Клінкер для шлакопортландцементу повинен мати такий мінералогічний склад та структуру, щоб були забезпечені тверднення і висока міцність «клінкерної частини» у складі шлакопортландцементу. Доцільно, щоб за фізико-хімічної характеристики він наближався б до клінкеру високоміцних швидкотверднучих портлапдцементов. Гіпс прискорює схоплювання шлакопортландцементу, проте дозування його потрібно встановлювати експериментально. Зміст шлаку та інших активних добавок у складі цементу склало в 1980 р. в середньому по промисловості 21,7%. Найбільш швидке твердіння відбувається при 30-40%) шлаку. За ГОСТ до шлакопортландцемент висуваються такі ж вимоги по тонкості помелу, термінів схоплювання, рівномірності зміни обсягу, змісту S03 і MgO в клінкері як і до портландцементу. За показниками міцності він поділяється на марки 300, 400 і 500. Відмінною його рисою є підвищена міцність на розтягування і вигин. На відміну від пуцоланових портландцементів шлакопортландцемент не викликає підвищення водопотребности розчинів і бетонних сумішей. При кілька уповільненому зростанні міцності в перший після замішування період він інтенсивно нарощує її в наступному. За термін від семи діб до одного року міцність в портландцементу збільшується приблизно вдвічі, а у шлакопортландцементу-в нормальних температурно-вологісних умовах зростає значно більше - приблизно в 2,5 рази.

Твердіння шлакопортландцементу обумовлюється більш складними процесами, ніж портландцементу через шлаку. Відбувається гідратація клінкерної частини цементу, в результаті чого в твердіє системі утворюється насичений вапняний розчин, який утворюється також і при розкладанні сірчистого кальцію.

Дуже важлива концентрація в розчині як іонів Са2 +, так і гідроксильних ОН-; істотна роль останніх помітна за інтенсивною гідратації шлаку при дії лужних розчинів натрію або калію; в розчині є також деяка кількість іонів S04.

У результаті створюється середовище, здатне викликати лужне і сульфатне збудження зерен шлаку, поверхневі шари яких залучаються в результаті цього в процеси гідратації і освіти цементуючих сполук. Контактуючи в порожнинах і мікротріщинах з поверхневими шарами шлакового скла, вапняний розчин сприяє переведенню в розчин знаходяться на поверхні шлакових зерен катіонів внаслідок розриву кремнекислородних зв'язків. У результаті при взаємодії з вапном утворюються гідросилікати кальцію, спочатку більш основні, а в міру зниження концентрації вапна в реагує середовищі - вже низькоосновних серії CSH (В).

Дослідження процесів твердіння ізвестковошлакових сумішей і шлакопорт-ландцементов показали, що відбувається хімічне зв'язування шлаком СаО.

У процесі твердіння шлакопортландцементу утворюється гидросульфоалюмінат кальцію; після витрачання всього гіпсу при достатньо високій концентрації вапна можливе утворення гидроалюмінатом кальцію. Не виключена можливість появи гідрогеленіта - C2ASH8.

Шлакопортландцемент на відміну від портландцементу не виявляє тенденції до зниження міцності при твердінні в результаті зазвичай виникають внутрішніх напружень. Кількість зв'язаної води при твердінні шлакопортландцементу залежить переважно від активності і відповідає ступеню гідратації клінкерної частини шлакопортландцементу особливо при кислих шлаках. Зміст шлаку в шлакопортландцементі зменшує контракцію, причому через добу це зменшення за змістом шлаку в цементі. При однаковому співвідношенні шлаку та клінкеру контракція до 30 діб більше у шлакопортландцементу на основних шлаках. Контракція шлакопортландцементу на кислих шлаках залежить, головним чином, від хіміко-мінералогічного складу клінкеру.

Усадкові деформації у шлакопортландцементу в розчині 1:3 з нормальним піском до 4 місяців твердіння на повітрі досягають 0,6-0,76 мм / м при вмісті в цементі 50% кислих доменних шлаків або 70% основних доменних шлаків. У взятого для порівняння пуцоланового портландцементу усадка склала 1,15 мм / м. Причина усадки в умовах повітряного твердіння - в основному видалення вільної води; у шлакопортландцементів з невеликою добавкою шлаку, нижче 50%, усадка залежить переважно від мінералогічного складу клінкеру.

Тепловиділення при гідратації шлакопортландцементу значно нижче, ніж в портландцементу. Це перешкоджає його використанню в зимових умовах, але позитивно позначається при виготовленні масивного бетону. Для нормального тверднення шлакопортландцементу необхідна температура не нижче 288 К, при більш низьких бетонну суміш необхідно підігрівати.

Досліджувалася стійкість шлакопортландцементів з кислими і основними шлаками по відношенню до видужування методом фільтрації дистильованої води. Досліди показали, що введення в цементи як кислих, так і основних шлаків підвищує їх стійкість по відношенню до дії м'якої води. Це характеризується зменшенням абсолютної кількості вилуженої з шлакопортландцементу вапна, а також меншою втратою міцності в порівнянні з портландцементом і пуцолановий портландцемент. Тверді зерна шлаку, досить повільно гідратірующіе, створюють додатковий жорсткий каркас, який зберігається і після вилуговування частини вапна з клінкерної складової шлакопортландцементу. Шлакопортландцемепти володіють достатньою морозостійкістю, яку можна підвищити шляхом введення поверхнево-активних повітровтягувальних та інших добавок, зменшення В / Ц і створенням умов для попереднього тверднення приблизно до 3 місяців до початку морозів. Останнє особливо важливо для шлакопортландцементів на базі кислих шлаків, що містять більше «слабко зв'язаної» води і внаслідок цього менш морозостійких, ніж шлакопортландцемент на основних шлаках. Порівняно висока морозостійкість цементу при утриманні 60-80% шлаку. Для водонепроникності істотне значення має як вид використаного для отримання цементу шлаку, так і його дисперсність. З шлакопортландцементу можна отримати водонепроникні бетони при високій питомої поверхні цементу, а також при добавці 10% іншої активної мінеральної добавки. Для підвищення активності шлакопортландцементів застосовується мокрий помел шлаків і наступне змішання шлакового шламу в бетономішалці з портландцементом. Такий метод був застосований на будівництві греблі у Франції та дав досить позитивні результати. Було встановлено, що виділення тепла при твердінні шлакопортландцементу понизилося, що особливо цінно для масивного бетону.

Позитивною особливістю шлакопортландцементів, на відміну від пуцоланових, є порівняльна воздухостойкость, що забезпечує нормальне тверднення бетону (залізобетону) наземних споруд. Це не виключає необхідності ретельного догляду за бетоном для захисту його від висихання і знижених температур в перші строки твердіння. Шлакопортландцемент володіє підвищеною стійкістю проти дії мінералізованих вод (морський, сульфатної та ін.) Однак по відношенню до концентрованих розчинів магнезіальних солей він недостатньо стійок. Вільні кислоти, що містяться в болотних, стічних промислових та інших водах руйнують бетон з шлакопортландцементу.

Шлакопортландцемент не робить корродирует дії на закладену в бетон сталеву арматуру і досить міцно зчіплюється з нею. Тому його можна застосовувати в залізобетонних конструкціях нарівні з портландцементом. На відміну від портландцементу шлакопортландцемент в розчинах і бетонах краще чинить опір дії підвищених температур, тому його можна застосовувати після необхідного попереднього тверднення у вологих умовах для деяких будівельних конструкцій, які експлуатуються в гарячих цехах. Особливо добре впливає на тверднення шлакопортландцементу тепло-вологісний обробка. Дослідження показали, що пропарювання так інтенсивно прискорює процеси гідратації, кристалізації та ущільнення структури шлакопортландцементу, що одержувані розчини та бетони набувають високі будівельні властивості. Коефіцієнт використання активності цементу при пропарівапіі досягає 70% проти 60% для портландцементу; підвищується тріщиностійкість, морозостійкість, водонепроникність, водо-і солестойкость і поліпшується ряд інших властивостей. Для отримання шлакопортландцементу, який призначався для пропарювання, доцільно застосовувати клінкер, що містить 55-60% C3S і 7-10% С3А при 40% гранульованого доменного шлаку.

Шлакопортландцемент більш універсальне в'яжучий, ніж пуцолановий, його можна ефективно застосовувати для бетонних і залізобетонних конструкцій, наземних, підземних і підводних споруд. Він особливо ефективний у великих гідротехнічних спорудах, а також у збірних залізобетонних конструкціях і виробах, що піддаються тепловологісної обробці. Найбільші гідроелектростанції на Дніпрі (Дніпрогес, Каховська ГЕС та ін), на Єнісеї і ін зведені із застосуванням шлакопортландцементу; він був широко використаний для будівництва підприємств чорної металургії та інших галузей важкої індустрії в Донбасі, на Уралі, в Сибіру, ​​в Закавказзі і ін Його успішно застосовують у ряді районів для виробництва збірних залізобетонних конструкцій і виробів із застосуванням пропарювання.