Шлакопортландцементы и бетоны на их основе

Известно, что шлаки представляютсобой отходы производства чугуна в доменных печах на металлургических заводах.В их состав входят алюмосиликаты кальция, образовавшиеся из пустой породыжелезной руды, золы, кокса и различных флюсов, добавляемых в процессе плавки (рис. 1).

Рис. 1. Схема доменного процесса

Количество шлака в расчете на 1т чугуна может быть различным в зависимости от используемой руды иместоположения предприятия, однако в целом количество шлака на 1 т чугуна непревышает 300–400 кг.

В 1860 году Ланжен (Франция)показал, что шлак можно гранулировать при быстром его охлаждении сразу же повыходе из доменной печи. В 1865 году это открытие было использовано дляпроизводства шлакового кирпича. В начале 70-х годов XIX века в ряде стран был предложен такназываемый шлаковый цемент, состоящий из смеси 70–85 % молотогогранулированного доменного шлака и 15–30 % гидратной извести иногда сускоряющими твердение добавками [1]. Шлак в этом цементе придавал воздушномувяжущему — извести способность гидравлического твердения под водой. Шлакпервоначально рассматривался как заменитель природного пуццолана, а получившийсяпродукт назывался шлаковым или пуццолановым цементом. В дальнейшем былаустановлена ошибочность подобного взгляда на доменный шлак. Шлаковые цементытого времени находили применение в растворах и бетонах для сооружениянабережных, мостовых устоев, каналов, резервуаров и т. д. В частности, этицементы применялись для строительных работ горного ведомства, для морских работв управлении торговых портов в России.

Последующей практикой былообнаружено, что шлаковый цемент обладает большей стойкостью в агрессивныхводах, нежели портландцемент, но значительно уступает последнему по прочности вусловиях воздушного твердения и по стойкости при магазинировании; содержащаясяв шлаковом цементе гидратная известь на воздухе быстро карбонизируется и теряетактивность [1]. Поэтому в дальнейшем производство шлакового цемента не получилобольшого развития, а доменные шлаки стали широко применять для изготовленияшлакопортландцемента, который сочетал в себе многие достоинства шлаковогоцемента и портландцемента.

Шлакопортландцемент — естьпродукт, полученный путем совместного перемола портландцементного клинкера игранулированного основного доменного шлака соответствующего состава (весовоесодержание шлака в готовом продукте не должно превышать 85 %).

В конце XIX века в Германии появился шлаковыйпортландцемент. Германские фабриканты увидели в производителях нового материалаконкурентов, что вызвало в их среде большую тревогу. Объединившись,портландцементные фабриканты стали чинить всевозможные препятствия с цельюопорочить шлакопортландцемент. Была даже назначена специальнаяправительственная комиссия для изучения свойств нового вяжущего вещества. Врезультате в качестве компромисса было решено разделить шлаковый портландцементна две марки: железопортландцемент с содержанием шлака до 30 % и доменныйцемент с содержанием шлака 30–85 %. Такое подразделение не могло бытьоправдано, так как содержание шлака в таких цементах определяется химическимсоставом: одни из них требует меньшего, другие большего количества клинкера дляполучения продукта высокого качества (при наименьшей себестоимости).Заграничная практика тех лет показала, что шлакопортландцемент, даже с оченьбольшим содержанием шлаков, может успешно применяться в самых разнообразныхвидах строительства.

Стоит отметить, что в это время появиласьтенденция продвигать на рынок так называемые улучшенные портландцементы,песчаные цементы и т. д., под видом которых заводчики старались продать портландцементс подмешанными измельченными доменными шлаками. Появился миф об улучшенныхпортландцементах. Рождению мифа способствовало то, что некоторые из этихцементов, особенно с высоким содержанием извести, после смешивания со шлакамиопределенного состава действительно приобретали высокую прочность в отвердевшихрастворах [4], однако ряд других качеств при этом претерпевали не лучшиеизменения, например, прочность при длительном пребывании в атмосфере падала.

Количество добавленных шлаковдолжно строго ограничиваться соотношениями количества кремнезема и извести вшлаках и составом цемента. В этом и кроется главная опасность подмешиванияшлаков. Шлаки по своему составу довольно близки к портландцементу, хотя и невсякий шлак годиться для подмешивания. Однако уж очень заманчиво получитьдополнительные доходы. Подсчитано, что при подмешивании шлака в портландцементпродавец получает дополнительно 37 % от продажной стоимости товара [4].Проверить количество подмешиваемого шлака было чрезвычайно трудно.

Германия оградила себя от этойопасности тем, что производители цемента взяли на себя обязательства илипродавать только чистый цемент, или указывать на таре, какая введена примесь(шлак) и в каком количестве. Общими усилиями производителей удалось изгнать снемецкого рынка подмешанный цемент. Ну и повезли производители подмешанныецементы в другие страны, в том числе и в Россию [4].

На V Цементном съезде (1898) ввиду появленияв продаже шлакового цемента было принято решение — ходатайствовать, чтобы этомуявлению было присвоено соответствующее название [3].

Выдающаяся роль в развитии иприменении шлакопортландцемента в России принадлежит Н. А. Белелюбскому, А. А.Байкову, С. И. Дружинину и В. А. Кинду. По инициативе Н. А. Белелюбского,возглавлявшаяся им механическая лаборатория института инженеров путей сообщенияс 1915 года начала систематически проводить испытания продукташлакопортландцементных заводов, давать ему наименование и всяческисодействовать практическому применению его в строительстве. Одна из последнихработ Н. А. Белелюбского, написанная совместно с С. И. Дружинином и В. А. Киндом,была посвящена техническим условиям приемки шлакопортландцемента.

А. А. Байков уже в то времяпришел к выводу о сходстве природы портландцемента и основного доменного шлака,обладающего самостоятельными гидравлическими вяжущими свойствами. А. А. Байков условнорассматривал портландцемент как шлак высокой степени основности, а основнойшлак — как портландцемент с очень низким гидромодулем. Это представление былоположено Байковым в основу предлагаемых им методов испытания и нормированияшлакопортландцемента. В 1916 году в одном из докладов Байков подчеркивалбольшое значение производства шлакопортландцемента для народного хозяйствастраны, принимая во внимание его дешевизну и громадный спрос на строительныематериалы в послевоенные годы. Анализируя выпуск и качество шлаков южнорусскихметаллургических заводов, Байков пришел к выводу о возможности выпускашлакопортландцемента в количестве 20–25 % от выпуска портландцемента, что и быловпоследствии осуществлено. Тогда же С. И. Дружинин указал на неправильностьотнесения шлакопортландцемента к группе смешанных цементов, мотивируя этополной равноценностью шлакопортландцемента и портландцемента по химическойприроде и механическим свойствам, и обосновал необходимость соответствующихизменений в номенклатуре вяжущих веществ. С 1913 по 1915 год было построено 3шлакопортландцементных завода общей мощностью 70–90 тыс. т. Эти заводы находилисьна металлургических комбинатах — Александровском, Брянском и Судаковском [1]. Офизико-механических свойствах отечественного шлакопортландцементах того времениможно судить по результатам испытаний продукции двух заводов в 1915 году вмеханической лаборатории Институте инженеров путей сообщения: табл.1.

Завод	Цемент	Вода для хранения образцов	Предел прочности при растяжении стандартных образцов, кг/см2
			Тесто 1:0		Раствор жесткой консистенции 1:3
			7 сут.	28 сут.	7 сут.	28 сут.
Тульский	Портландцемент (клинкер)	Пресная	52,30	65,42	21,72	21,24
	То же	Искусственная морская	69,62	78,25	22,7	23,00
	Шлакопортландцемент	Пресная	53,67	67,37	14,80	21,35
	То же	Искусственная морская	58,42	82,15	18,45	24,97
Екатеринославский	То же	Пресная	41,15	56,07	18,07	23,95
	То же	Пресная	58,95	58,07	23,97	26,95

Таблица 1.Прочность шлакопортландцементов, выпускавшихся в 1915 году

Выпускавшийся в то времяшлакопортландцемент имел активность 150–380 кг/см2 и первоначальнопредназначался в основном для местных нужд, но в ряде случаев находилприменение в строительных работах государственного значения, как, например, строительствоВыборгской крепости, сооружение опор железнодорожного моста через р. Ока и др.С 1916 года шлакопортландцемент в России был официально допущен к применениюнаравне с портландцементом, а также в строительных работах по ведомству путейсообщения.

Многочисленные испытания ипрактика показали, что цементы с высоким содержанием шлака схватываютсямедленнее, чем обычный портландцемент, особенно при бетонировании в холодноевремя года. В первые сутки прочность шлакопортландцемента ниже, чем обычнопортландцемента, но на 7 сут. он набирает достаточную прочность, особенновысокую прочность набирается при выдержки во влажной среде. Шлакопортландцементыхорошо выдерживают пропаривание, прекрасно переносят воздействие повышенныхтемператур. Бетон, получаемый на базе шлакопортландцемента, стоек к воздействиюагрессивных сред, почти не изменяет объем как в холодное, так и в жаркое времягода [2].

Технология применения цементасодержащего до 35 % шлака аналогична технологии применения портландцемента тогоже класса прочности без минеральных добавок. Цементы с содержанием шлака более50 % используются при обычных работах с бетоном и железобетоном, а также приизготовлении бетонных труб и блоков [2].

Бетоны на основешлакопортландцементов хорошо зарекомендовали себя в производстве сборногожелезобетона при использовании метода пропаривания. Существуютшлакопортландцементы, которые можно использовать при возведении фундаментов, созданиигидротехнических и подземных сооружений [2]. В качестве примера можно привестибетонные и железобетонные сооружения во Франции: туннель под Монбланом,подземный вокзал на железнодорожной станции Париж — Аустерлиц (32 тыс. т шлакопортландцемента),тюбинги для Парижского метро и др. Особенно интересна в этом смысле приливнаяэлектростанция Ранс (1964), строительство которой потребовало 150 тыс. тцемента (рис. 2).

Рис. 2. Приливная электростанция Ранс

В середине XX века большоераспространение при строительстве дорог получила гравийно-песчаная смесь нашлакопортландцементе, в котором доля вяжущего составляет 4–5 %. Пристроительстве дорог такой материал обладает целым рядом ценных преимуществ.Благодаря применению шлакопортландцемента не образуются явные и длинныетрещины. Медленное схватывание такого цемента позволяет лучше контролироватьукладку покрытия в раннем возрасте. Это вяжущее в начале твердения обладаетнизкими прочностными качествами, но со временем набирает хорошую механическуюпрочность [2]. Гидравлические вяжущие с тем или иным содержанием шлаковпроизводятся во многих странах. В середине XX века в СССР производство шлакопортландцементов составляло 33 %от общего производства цементов. В 1971 году в СССР было переработано 26 млн тгранулированных шлаков. На цемент расходовалось около 50 % используемых шлаков.Во Франции, Германии, Италии шлак в производстве цемента использовался так жешироко. В Бельгии использование шлаков в производстве цемента составило 21 % [2].

По мере развития металлургии всёбольшое количество шлаков накапливается в отвалах заводов. Проблемаиспользования шлаков становится всё более и более актуальной.

В этом плане интересны решенияприменения шлаков в зависимости от способов обработки (рис. 3).

Рис. 3. Схема различных методов обработки шлака по выходе издоменной печи. 1 — подача кокса и различных присадок, 2 — шлак, 3— бассейн с водой, 4 — песок крупностью 1–5 мм, 5 — загрузочный ковш, 6— колосник, 7 — гранулятор, 8 — печь, 9 — шлак в горне, 10— горн и чугун, 11 — выгрузка в шлаковый отвал, 12 — отходы, 13— шлак, 14 — струи воды, 15 — легкий заполнитель, 16— шлаковата

Быстрое охлаждение в воде.Жидкий шлак попадает в грануляционный ковш и затем оседает на дно в наполненномводой бассейне. Получается стекловидный песок с зернами крупностью 0,2 мм. Для грануляции шлакатребуется большое количество воды, примерно 10 м3 на 1 т.

Такой шлак применяют нацементных заводах, а также используют вместо природного песка при получениигидротехнического бетона.

Медленное охлаждение на воздухе.Шлаковый расплав по выходе из доменной печи подают в вагонетку, а затем перевозяти выливают в траншеи длиной 100–300 м. После охлаждения образующий каменьсобирают, дробят и классифицируют.

Полученный щебень используетсядля дорожных работ, а также в качестве заполнителей бетона.

Охлаждение водой илипаровоздушной смесью под давлением. Данная технология позволяетполучать вспученный шлак, используемый при изготовлении легких бетонов. Врезультате обработки камень приобретает губчатую поверхность.

Быстрое охлаждение сжатымвоздухом. Применение сжатого воздуха для быстрого охлаждения позволяетполучать шлаковату, которая используется для тепло- и звукоизоляции.

В середине XX века в СССР производилось до 2 млн тшлаковаты.

В 1928 году П. П. Будников,изучая влияние различных веществ, которые могут возбуждать собственные скрытыегидравлические свойства доменного шлака, установил, что в качестве возбудителейпроцесса гидратации шлаков можно применить различные модификации сульфатакальция, нерастворимый или растворимый ангидрит и эстрих-гипс в присутствиинезначительного количества щелочи. В результате этого исследования был полученновый вид вяжущего — бесклинкерный шлаковый сульфатированный цемент [1].

В 1939 году П. П. Будниковым иИ. Г. Гольдбергом был получен быстротвердеющий высокоактивный так называемыйангидрито-глиноземистый цемент, вполне пригодный для скоростного возведениявысокопрочных бетонных сооружений.

В эти же годы в Германии былоосвоено производство глиноземистых цементов на базе некоторых шлаков. Некоторыесорта шлаков используются для производства цветных стекол, некоторых видовкерамики и др. По данным профессора Б. Г. Скрамтаева, шлаковый портландцемент впромышленных масштабах начали выпускать: в Германии с 1892 года, в России с1913–1914 годов.

Дату точного изобретенияшлакопортландцемента трудно определить, но на основании имеющихся источников можносказать, что в 2007 году исполнится около 125 лет со времени применения шлаковв качестве вяжущих веществ.

Большинству строителей известныцементы на основе шлаков, но многие склонны считать подобные гидравлическиевяжущие материалами второго сорта.

Использование доменного шлака впроизводстве цемента дает значительную экономию топлива, позволяет примерно на20 % снизить себестоимость продукции по сравнению с производствомпортландцемента, что особенно важно в условиях рыночной экономики [2].

Для производства некоторыхстроительных работ применение шлакопортландцемента, по сравнению с другимивидами вяжущих, является более предпочтительным.

Авторы статьи надеются, чтонапоминание о свойствах вяжущих веществ на базе шлаков разбудит интересработников строительного комплекса к этому вторичному сырью.

Литература:

1. Будников П. П., Значко-ЯворскийИ. М. Гранулированные доменные шлаки и шлаковые цементы. — М.: Промстройиздат,1933.

2. Венюа М. Цементы и бетоны встроительстве. — М.: Стройиздат, 1980.

3. Краткий обзор деятельности 12цементных съездов // Цемент, его производство и применение. — 1910. — № 2.

4. Шуляченко А. Р. Состояниецементной промышленности на Западе и у нас // Цемент, его производство иприменение. — 1901. — № 5.

Cтатья предоставлена журналом «Популярное бетоноведение»

Журнал «Популярное Бетоноведение»— всегда свежая ипрофессиональная информация о производстве и применению бетонов идругих строительных материалов, добавках, оборудовании и многом другом.

Издание выходит при поддержке Научно-Техническогообщества строителей Санкт-Петербурга. Распространяется в России, СНГ,за рубежом. Журнал рассчитан на широкий круг читателей— строителей,технологов, проектировщиков.

http://www.popcon.ru/

info@popcon.ru

Быстрая подписка на журнал: (812) 541-91-45, 541-91-46