Использование доменных шлаков в производстве гидравлических вяжущих, на основе ПЦ клинкера

При мокром способе грануляции огненно-жидкие шлаки сливают в бассейн с водой. Бассейные установки (рис. 3) размещают вблизи доменных печей. Обычно они представляют собой прямоугольные бетонные резервуары объемом 450—800 м³, наполненные водой. Шлак в бассейны сливают из шлаковозных ковшей. При соприкосновении струи расплавленного шлака с водой он - мгновенно охлаждается, причем под воздействием образующегося пара и выделяющихся из шлака растворенных газов масса распадается на мелкие зерна — гранулы размером до 5—10 мм.

При мокрой грануляции на 1 т шлака расходуется 2—2,5 м³ воды.

Из бассейнов  шлак подают в вагоны и другие транспортные средства с помощью грейферных мостовых или портальных кранов, экскаваторов, скреперных лебедок и т. п.

Бассейные установки отличаются большой производительностью, относительно невысокой капиталоемкостью и обслуживаются небольшим числом   рабочих.

Однако  мокрому способу грануляции присущи  и серьезные недостатки: получаемые шлаки имеют высокую влажность (20—30%), поэтому при их   перевозке   увеличивается непроизводительная загрузка вагонов; необходимы повышенные затраты тепла на сушку шлака (до 80 кг условного топлива на 1 т сухого шлака); в зимних условиях вследствие высокой влажности шлаки в вагонах, бункерах и на открытых складах могут смерзаться, что вызывает затруднения в работе, простои вагонов и большие затраты труда на  их  разгрузку.

Полусухой способ грануляции более  эффективен. Его осуществляют в барабанных, гидроударных, гидрожелобных и других установках. Наиболее эффективны гидрожелобные установки. В настоящее время их преимущественно применяют при грануляции шлаков вне доменного цеха. Гидрожелобная установка (рис. 4) состоит из приемной ванны 2, в которую сливают шлак, и наклонного грануляционного желоба 3 длиной до 10м. К верху желоба подводится вода под давлением до 0,8—1 МПа с помощью центробежного насоса 4. Воду подводят либо гидромонитором с сопловыми насадками, либо через трубы со щелевидными отверстиями для образования сильных струй воды. Расплав из шлаковозного ковша сливают в ванну, далее он попадает в грануляционный желоб, где подхватывается пучком сильных струй воды, выбрасываемых из отверстий насадки или щелевидных отверстий, охлаждается, разбивается на гранулы и поступает на приемную площадку. Отсюда шлак забирают грейферным краном и грузят в вагоны.

Для снижения количества воды на грануляцию применяют водовоздушную грануляцию. Для этого к гидрожелобу через сопло вентилятором высокого давления подают воздух. Расход воды на таких установках составляет около 1,5 м³ на 1 т шлака; влажность шлака колеблется в пределах 5—7%. Производительность установки около 120 000т шлака в год.

Гранулированные доменные шлаки используют для изготовления смешанных гидравлических вяжущих веществ шлакового портландцемента; сульфатно-шлакового цемента; известково-шлакового цемента; в качестве компонента для производства портландцемента, а также активной минеральной добавки к портландцементу при его помоле; в виде заполнителей при изготовлении бетонов.

 

Виды шлаковых цементов

Шлакопортландцемент

Шлакопортландцементом    называется    гидравлической вяжущее, получаемое   путем тонкого измельчения портландцементного   клинкера   совместно с гранулированным доменным шлаком, а также с двуводным гипсом. Для  получения быстротвердеющего шлакопортландцемента, порошок  портландцемента   иногда размалывают только с гранулированным шлаком. Шлака в шлакопортландцементе должно быть не менее 21 % и не более 60% по массе (ГОСТ 10178—85). В шлакопортландцементе марки 300 содержание доменного гранулированного шлака допускается свыше 60%, но не более 80% массы цемента. 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.

Клинкер на заводах  шлакопортландцемента   целесообразно изготовлять с применением в  качестве глинистого компонента гранулированного шлака. При этом 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.

При   изготовлении   шлакопортландцемента   гранулированный шлак предварительно сушат в сушильных барабанах или, что эффективнее, в специальных установках в условиях кипящего слоя до влажности, не превышающей 1—2%. 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, портландцементный клинкер  и гипс дозируют и направляют на помол в шаровые мельницы. Для облегчения помола можно вводить специальные добавки в количестве до 1 % массы цемента (поверхностно-активные, уголь  и др.), не ухудшающие его качество.

• Быстротвердеющий шлакопортландцемент.

В настоящее  время выпускается также быстротвердеющий шлакопортландцемент, который обладает более интенсивным, чем обычные шлакопортландцементы, нарастанием прочности в начальный период твердения. Быстротвердеющий шлакопортландцемент изготовляют тонким измельчением до 4000—5000 см²/г высококачественных клинкеров и активных гранулированных шлаков, смешиваемых в строго установленном соотношении.

При производстве быстротвердеющих шлакопортландцементов  иногда применяют двухстадийный  помол материалов: вначале измельчают клинкер, а затем ведут совместный помол цементного порошка со шлаком. При таком помоле тонкие фракции шлакопортландцемента состоят преимущественно из клинкерных частичек, обусловливающих быстрое твердение вяжущего.

Повышению активности шлакопортландцемента способствуют уменьшение доли шлака в цементе и увеличение тонкости его помола.

Содержание  основных гранулированных шлаков в  обычном шлакопортландцементе достигает 50—60%, а кислых — 30—40% (в зависимости от качества шлака и клинкера). Иногда в шлакопортландцементах до 8—10% шлака заменяют кислой активной кремнеземистой добавкой (трепел, опока и т. п.).

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 электротермофосфорный 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 гидрата окиси кальция) к образованию волокнистых гидросиликатов кальция состава, обозначаемых общей формулой C₂SH₂,

Параллельно при гидратации C₃S и C₂S выделяется и гидрат окиси кальция. Гидратация С₃А и C₄AF портландцемента на начальной стадии его взаимодействия с водой приводит к образованию соответственно С₄АН₁₃ и C₄FH₁₃. Одновременно гипс взаимодействует с алюминатами кальция с образованием С₃А • 3CaSO₄-(30 — 32)Н₂О, регулирующего схватывание шлакопортландцемента. Но по мере вовлечения доменного шлака в реакции гидролиза и гидратации под воздействием щелочной и сульфатной активизации и взаимодействия его с гидратом окиси кальция состав новообразований претерпевает значительные изменения. Преобладающими в них оказываются CSH (В) и метастабильный двухкальциевый гидроалюминат С₂АН₈.

Таким образом, в затвердевшем шлакопортландцементе преобладают низкоосновные 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 гидрата окиси кальция и переход глинозема в низкоосновные гидроалюминаты или гидрогеленит способствуют повышению сульфатостойкости шлакопортландцементов по сравнению с портладцементами.

При твердении  шлакопортландцементов при повышенных температурах (80—100° 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 температурах 174,5—200° С и давлении насыщенного водяного пара 0,8—1,5МПа (изб.) возникают иные новообразования.

Как показывает ряд исследований, 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 от 0,2 до 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 неиспаряющейся воды.

 

Свойства шлакопортландцемента. Плотность шлакопортландцемента колеблется в пределах 2,8—3 г/см³, уменьшаясь с увеличением содержания в цементе гранулированного доменного шлака.

Объемная  масса в рыхлонасыпном состоянии 900—1200, а в уплотненном — 1400—1700 кг/м³. Водопотребность шлакопортландцемента существенно не отличается от водопотребности обычных портландцементов. В ряде случаев, при равной удобообрабатываемости, в растворные или бетонные смеси на шлакопортландцементе нужно добавлять воды меньше, чем при использовании портландцемента.

Водоотделение из теста, полученного затворением шлакопортландце-мента, несколько больше, чем из теста портландцемента. С увеличением тонкости помола его водоудерживающая способность значительно возрастает. Быстротвердеющий шлакопортландцемент, измельченный до удельной поверхности 4000 см²/г, характеризуется большей водоудерживающей способностью, чем рядовой портландцемент.

Скорость  схватывания, зависит от химического состава шлака и соотношения в шлакопортландцементе шлака и портландцементного 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 портландцементного 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.

Прочность. Шлакопортландцемент соответственно ГОСТ 10178—76 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 минералогическим 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 С₃S в силикатной части.

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.

Равномерность изменения объема. Шлакопортландцемент  при твердении обычно отличается равномерным изменением объема. Даже при использовании клинкеров с повышенным коэффициентом насыщения, содержащих до 3,5 % свободной окиси кальция и поэтому непригодных для получения портландцемента, свободная СаО 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 шлакопортландцемента, 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 условия) сухого и жаркого климата.