1.2. Сырьевые материалы Вяжущие вещества

Портландцемент — гидравлическое вяжущее вещество, получаемое путем совместного тонкого измельчения клинкера и гипса, а иногда и специальных добавок. Гипс добавляют для регулирования скорости схватывания и некоторых других свойств. Количество вводимого гипса регламентируется химическим составом портландцемента, в частности, предельным содержанием ангидрида серной кислоты SO₃ — не менее 1,5 и не более 3,5%.

В практике строительства портландцемент является основным вяжущим материалом для производства бетона, железобетона и строительных растворов, на нем также изготовляют асбестоцементные, теплоизоляционные и другие материалы.

Клинкер получают обжигом до спекания тонкодисперсной сырьевой смеси, состоящей из известняка, глины и других материалов (доменных шлаков, мергелей, нефелинового шлама), при этом обеспечивается преобладание в клинкере силикатов, алюминатов и алюмоферритов кальция.

Плотность портландцемента 3050—3150 кг/м³. Его насыпная плотность зависит от уплотнения и в среднем составляет 1300 кг/м³.

Тонкость помола — один из факторов, определяющих скорость схватывания и прочность цементного камня. Тонкость помола характеризуется остатком на сите №008 или удельной поверхностью, проверяемой на специальном приборе — поверхностемере. Согласно ГОСТ 10178-76 (с изм.) через сито №008 должно проходить не менее 85% массы пробы. Удельная поверхность при этом (поверхность зерен цемента общей массой 1 г) должна быть 2500—3000 см²/г.

Водопотребность портландцемента характеризуется количеством воды (в % по массе цемента), которое необходимо для получения цементного теста нормальной густоты, т.е. заданной стандартной пластичности. Нормальную густоту цементного теста измеряют (ГОСТ310.3-76) погружением пестика, укрепленного на штанге прибора Вика. Она колеблется в пределах 21—28% и зависит от минералогического состава цемента и тонкости помола. Чем меньше нормальная густота цементного теста, тем лучше качество цемента. Изучение процесса твердения цемента показало, что в зависимости от вида, сроков и условий твердения он присоединяет воды в размере 15—25% по массе. Сроки схватывания и равномерность изменения объема портландцемента определяют на тесте нормальной густоты. Сроки схватывания проверяют по прибору Вика (ГОСТ 310.3-76). По ГОСТ 10178-76 (с изм.) начало схватывания должно быть не ранее 45 мин, а окончание не позднее 12 ч с момента затворения.

Прочность (активность) и марку цемента согласно ГОСТ 310.4-81 определяют испытанием стандартных образцов-призм размером 4X4X16 см, изготовленных из цементно-песчаного раствора состава 1:3 на нормальном  песке при водоцементном отношении В/Ц=0,4 и консистенции, характеризуемой расплывом стандартного конуса не менее 106—115 мм через 28 суток твердения. Первые сутки образцы твердеют в формах во влажном воздухе, а затем 27 суток в воде комнатной температуры. Образцы призмы первоначально испытывают на изгиб, затем получившиеся половинки призм — на сжатие.

Заполнитель

Аглопорит получают спеканием (агломерацией) сырья. Этот способ широко применяют в металлургической промышленности для агломерации руд. Сущность процесса состоит в следующем.

Из сырья с добавкой топлива (угля) готовят рыхлую шихту и укладывают ее на колосниковую решетку. Под решеткой в вакуум-камере отсосом воздуха вентилятором (дымососом) создают разрежение, благодаря которому происходит просос воздуха через шихту. Сверху шихту поджигают. За счет горения угля в ней создается высокая температура (до 1400... 1500°С). При этом шихта спекается в пористую остеклованную массу. Процесс спекания осуществляется сравнительно быстро. Горячие газы, отсасываемые вниз, подогревают нижележащие слои шихты, и зона горения постепенно передвигается к колосниковой решетке. Верхние спекшиеся слои в это время несколько охлаждаются просасываемым воздухом. Когда зона горения топлива доходит до колосниковой решетки   и процесс агломерации завершается, получают спекшийся аглопоритовый корж, который дробят на щебень и песок.

Производительность агломерационной машины зависит от скорости спекания сырья

де h — высота слоя спекаемой шихты, мм; т — продолжительность спекания, т. е. время, необходимое для перемещения зоны горения от поверхности слоя до колосниковой решетки, мин.

Для различных видов сырья и составов шихты вертикальная скорость спекания составляет 5... 10 мм/мин и более. Например, слой шихты 200 мм спекается за 20... 40 мин.

В промышленных условиях при производстве аглопорита из глинистых пород шихту готовят следующим образом. Глинистое сырье, дробленный каменный уголь (крупность не более 5 мм), а также добавки (о которых будет сказано ниже) смешивают в определенной пропорции. Массовая доля угля составляет, как правило, 7... 12%.

Если глинистое сырье сухое, то в глиномешалку подается вода. Перемешанная шихта должна иметь рыхлую комковатую структуру. В специальных машинах — грануляторах (например, в барабанном грануляторе, работающем по принципу окатывания комочков во вращающемся барабане) шихта гранулируется.

Подготовленная шихта спекается на агломерационной машине, которая представляет собой непрерывно движущийся конвейер из тележек-палет, имеющих в основании колосниковую решетку из жаропрочной стали и борта с обеих сторон. Верхняя ветвь конвейера движется по рельсам над вакуум-камерами.

Шихта загружается на колосниковую решетку слоем 200 ... 300 мм и зажигается, проходя под горном, где за счет горения подаваемого туда жидкого или газообразного топлива создается температура примерно 1000° С. Далее, продвигаясь над вакуум-камерами, шихта благодаря прососу воздуха спекается. С машины сходит спекшийся корж.

Корж, как правило, неоднороден: внутри спекание полное, корж в изломе темного цвета (восстановительная среда определяет переход оксидов железа в закись, и это способствует лучшему спеканию), а на поверхности (избыток воздуха, окислительная среда, ниже температура обжига) образуется как называемый недожог буро-красноватого цвета с пониженными прочностью и стойкостью. Поэтому первой операцией после спекания шихты на агломерационной решетке является отделение недожога. Корж разламывается на куски специальным устройством — коржеломателем (вал с редко насаженными билами), куски падают на решетку, слабоспекшиеся частицы при этом осыпаются и возвращаются в технологический процесс как добавка к сырью, улучшающая газопроницаемость и спекание шихты.

В качестве добавок, способствующих повышению скорости спекания глинистого сырья и, следовательно, повышению производительности агломерационных машин, а также улучшению качества аглопорита, используют древесные опилки, лигнин (отход гидролиза древесины), золу и другие отходы промышленности.

После отделения недожога (возврата) аглопорит охлаждают до температуры 80... 120°С, дробят и сортируют на щебень и песок.

Для производства аглопорита выпускается комплект основного технологического оборудования с агломерационными машинами СМС-117 и СМ-961

Требуемые пределы прочности аглопоритового щебня, определяемые при сдавливании в цилиндре, значительно меньше, чем для керамзитового гравия. Однако нельзя считать аглопорит менее прочным заполнителем, чем керамзит, поскольку дело здесь не только в прочности, но и в форме зерен. Как уже указывалось выше, при испытании в цилиндре получаются не абсолютные, а относительные, значительно заниженные показатели прочности, причем степень занижения зависит от формы зерен испытуемого заполнителя. При равной прочности зерен для сдавливания рыхло насыпанного остроугольного аглопоритового щебня в стальном цилиндре требуется меньшая нагрузка, чем для керамзитового гравия. Как установлено С. М. Ицковичем, действительная прочность аглопорита в бетоне примерно в 25 ...30 раз превышает показатели прочности при стандартном испытании в цилиндре, что и учитывается в ГОСТ 9757—83 при установлении марки аглопоритового щебня по прочности исходя из результатов его стандартного испытания.

Прочность керамического материала, заполняющего межпоровое пространство аглопорита и керамзита (оплавленной массы, состоящей из стекловидной фазы с кристаллическими включениями), примерно одинакова. Поэтому при равной плотности зерен прочность аглопорита и керамзита в бетоне близка. Для ориентировочной оценки прочности аглопорита можно воспользоваться формулой, согласно которой, например, при плотности зерен 1,2 г/см3 предел прочности составляет около 20 МПа, при плотности 1,4 г/см3 —около 30 МПа, при 1,6 г/см3 — около 40 МПа и т. д.

Особенность аглопорита, как и многих других пористых заполнителей, в том, что с уменьшением размеров фракции аглопоритового щебня или песка возрастает ее насыпная плотность. Это объясняется следующим. В аглопорите имеются поры различных размеров: от мельчайших до 3 мм и более. При дроблении аглопорита разрушение идет, в первую очередь, по более крупным порам, поэтому чем мельче фракции, тем меньше пористость зерен, больше их плотность и прочность.

Минский аглопорит различных фракций имеет следующую насыпную плотность: щебень фракции 20 ...40 мм — 500... 600 кг/м3; фракции 10...20 мм —600...700 кг/м3; фракции 5... 10 мм —700... 800 кг/м3; песок до 5 мм — до 1000 кг/м3.

Межзерновая пустотность аглопоритового щебня составляет 50...60%, (для высшей категории качества — не более 50%), следовательно, плотность зерен в 2 раза и более превышает насыпную плотность щебня.

Пористость зерен аглопоритового щебня находится в пределах 40...60%.

Коэффициент формы зерен в среднем не должен превышать 2,5 (для высшей категории качества — 2).

В отличие от керамзитового гравия аглопоритовый щебень характеризуется большей долей открытых пор (15...20%), заполняемых в бетоне водой и цементным тестом. Это приводит к" некоторому повышению расхода цемента, но одновременно способствует упрочнению заполнителя и сцеплению его с цементным камнем, что благоприятно сказывается на возможности получения высокопрочного аглопорито-бетона.

Аглопорит отличается сравнительно высокой однородностью по насыпной плотности и прочности, что создает предпосылки для его эффективного применения в бетоне. На  8.18 приводятся результаты сравнения однородности аглопоритового щебня и керамзитового гравия двух предприятий. В течение месяца было произведено по 100 определений насыпной плотности каждого заполнителя одинаковой крупности. В интервал ±5% от среднего арифметического попало 70% результатов испытания для аглопорита, тогда как для керамзита только 35%. Коэффициент вариации насып-ой плотности аглопорита различных заводов в пределах партий не превышает 1 ...2%.

В соответствии с государственным стандартом к аглопориту тредъявляется ряд требований по обеспечению стойкости и долговечности. Аглопоритовый щебень испытывается на стойкость к силикатному распаду, морозостойкость и т. д. Ограничивается наличие остатков невыгоревшего топлива: потеря массы при прокалива-ии пробы аглопоритового щебня не должна превышать 3%. Для ограничения содержания в аглопоритовом щебне слабообожженных ерен предусматривается его испытание в растворе сернокислого атрия с допускаемой потерей массы после трех циклов насыщения высушивания не более 5%.

Для аглопоритового песка нормируется зерновой состав. Потеря массы пробы при прокаливании песка допускается до 5%. 0 8.2.4. Аглопоритовый гравий. Помимо описанной технологии производства аглопоритового щебня и песка разработана и освоена промышленностью технология, позволяющая получать аглопорит в виде гравия.

Основным сырьем для получения такого аглопорита служат золы тепловых электростанций, содержащие 4... 15% остатков топлива.

В отличие от описанной выше технологии в данном случае стремятся получить шихту в виде отдельных шариков преимущественно одной фракции (10... 20 мм), для чего используют тарельчатые грануляторы. Состав шихты: 85... 90% золы и 10... 15% глинистой породы. Глинистая порода вводится в золу в виде водной суспензии — шликера. Она обеспечивает связность шихты, облегчает грануляцию и повышает прочность сырцовых гранул (чтобы они не разрушились при транспортировке и укладке до спекания).

На колосниковую решетку агломерационной машины укладывает сначала слой готового аглопоритового гравия — постель (для предохранения металла машины от действия высоких температур), затем сырцовые гранулы слоем 200... 250 мм. В секционном горне большей протяженности, чем в машинах для спекания шихты на щебень и песок, сжигают газообразное топливо. При прососе горячих газов сверху вниз сырцовые гранулы высушиваются, зажигаются и спекаются. Крупнозернистая шихта отличается большой газопроницаемостью, поэтому даже при малом разрежении в вакуум-камерах объем просасываемых сквозь шихту газов значителен. При этом внутри спекаемых гранул создается восстановительная среда, способствующая оплавлению и образованию спекшейся мелкопористой массы, а омываемая воздухом поверхность гранул из-за наличия окислительной среды не оплавляется, поэтому гранулы между собой спекаются непрочно. На агломерационной машине образуется не сплошной корж, как обычно, а сравнительно рыхлый слой, рассыпающийся при дроблении на отдельные весьма прочные пористые гранулы округлой формы, напоминающие керамзит.

Насыпная плотность аглопоритового гравия — 550 ... 800 кг/м3, предел прочности при сдавливании в цилиндре—1,2 ...4,5 МПа.