7.7. Шлакопортландцемент

Шлакопортландцемент (ШПЦ) - гидравлическое вяжущее вещество, получаемое путём совместного помола портландцементного клинкер, гипса и гранулированного доменного или электротермофосфорного шлака. Количество шлака в ШПЦ должно быть не менее 21% и не более 60%. Допускается замена части шлака активными минеральными Добавками осадочного происхождения, но в количестве не более 10%

Гипс вводят в количестве, необходимом для регулирования сроков схватывания, но содержание SO₃ в ШПЦ не должно превышать 4%.

Химический состав шлаков колеблется в достаточно широких пределах: SiO- 30-39%; Al₂O₃ - 5-11%; СаО - 40-50%; MgO - 2-14%; FeO+Fe₂O₃-0.3-0.9%. Состав шлаков оценивают по модулю основности: Mo=(CaO+MgO)/(SiO₂+Al₂O₃)

Шлаки считают основными, если М₀>1; кислыми - при М_о<1 и средними М₀=1.

Несмотря на то, что химический состав шлаков близок к составу портландцементного клинкера, их минералогические составы отличаются существенно. В медленно охлаждённых, хорошо закристаллизованных шлаках чаше всего встречаются такие минералы, как белит, волластонит (CS) анортит (CAS₂), пленит (C₂AS), окерманит (C₂MS₂) мервинит (C3MS₂) и др. Ряд этих минералов обладают собственной гидравлической активностью, т.е. способны подвергаться гидратации и твердеть. Однако их гидравлическая активность намного меньше, чем у клинкерных минералов. Чем больше модуль основности шлака, тем выше в нём концентрация высокоосновных фаз, в первую очередь - белита, мервинита и т.д., которые склонны к гидратационному твердению.

Наряду с кристаллическими фазами в шлаках, которые охлаждались достаточно быстро, присутствует также стеклофаза переменного состава. Поскольку стекло является метастабильной фазой, то его реакционная способность (в том числе и но отношению к воде) выше, чем у равновесных кристаллических фаз. Поэтому одним из приёмов, позволяющих заметно повысить гидравлическую активность шлаков, является грануляция, т.е. резкое охлаждение шлакового расплава в воздушной или в водной среде. Существует три способа грануляции:

• сухой - резкое охлаждение струёй воздуха,

• полусухой - охлаждение под мощной струёй воды,

• мокрый - охлаждение за счёт сливания расплава в бассейн с водой.

Чем более резким является охлаждение, тем выше активность шлака. Очевидно, мокрая грануляция даёт максимальный эффект, однако в последующем такой шлак необходимо сушить. В связи с этим чаще применяют полусухую грануляцию. При этом расплавленный шлак сливают в чугунную ванну, из которой шлак подаётся в грануляционный желоб, расположенный под утлом 30-35° к горизонту. В этот желоб подаётся под большим напором струя воды. При этом шлак очень быстро охлаждается, вспенивается и в виде полутвёрдой массы струёй воды отбрасывается на лопасти быстро вращающегося барабана, откуда ссыпается в приёмный бункер. В результате шлак полностью затвердевает и разбивается на отдельные гранулы.

Большинство шлаковых минералов в потенциале также могут гидратироваться, но их гидравлическая активность носит скрытый характер. Чтобы в полной мере проявились скрытые вяжущие свойства гранулированных доменных или электротермофосфорных шлаков необходимо химически активизировать (возбудить) гидратацию (прежде всего, кристаллической составляющей шлаков). Для этого используют добавки - активизаторы, к которым относятся некоторые щелочи, сульфаты, портландцемент или смеси этих веществ. В зависимости от вида добавки различают щелочной, сульфатный и комбинированный механизмы возбуждения активности шлаков. В ШШ используется комбинированное возбуждение за счёт щелочной (Са(ОН)₂) и сульфатной (гипс) активации.

Технологическая схема производства ШПЦ принципиально не отличается от технологии получения портландцемента. Наиболее существенные отличия имеются лить на заключительной стадии производила - при помоле цемента. Размалывают ШПЦ примерно до такой же тонкости, что и рядовой цемент. При этом следует стремиться все же к более тонкому помолу, так как это ускоряет твердение и повышает прочность цемента. Увеличение дисперсности для ШПЦ более эффективно, чем для портландцемента. При совместном помоле компонентов ШПЦ клинкер, как более твердая составляющая смеси, измельчается хуже, и его дисперсность оказывается заниженной, что приводит к ухудшению свойств. Во избежание этого, помол ШПЦ желательно вести в замкнутом цикле. Возможен также двухступенчатый помол ШПЦ: на первой стадии измельчают клинкер с гипсом до удельной поверхности 2000-2500 см²/г, а затем в мельницу дозируют шлак и домалывают цемент до конечной степени измельчения. Всё это обеспечивает более тонкое измельчение клинкерной составляющей цемента, что улучшает его свойства, но несколько усложняет технологический процесс и повышает расход электроэнергии.

Процесс твердения ШПЦ более сложен, чем для портландцемента, и может быть разделен на два этапа: первичный - гидратация и твердение клинкерной составляющей и шлаковых минералов; вторичный - химическое взаимодействие продуктов гидратации клинкерной части с частично гидратированными гранулированными шлаками. При гидратации алита выделяется гидроксид кальция, которым быстро насыщается жидкая фаза. Эта щелочная среда активирует стеклофазу гранулированного шлака, что приводит к образованию на поверхности шлаковых частиц продуктов гидратации в виде , гелеобразных масс, содержащих гидросиликаты и гидроксид алюминия. В дальнейшем эти гелеобразные продукты гидратации на поверхности зёрен шлака переходят в кристаллическую форму, обеспечивая рост прочности камня. По мере повышения степени кристалличности продуктов, плёнка на зёрнах становится более проницаемой для жидкой фазы, что обеспечивает её доступ к внутренним слоям зерна и способствует дальнейшей гидратации.

ШПЦ выпускают трёх марок - 300, 400 и 500. При этом в ШГЩ марки 300 допускается повышать содержание шлака до 80%.

По сравнению с портландцементом шлакопортландцемент характеризуется замедленным нарастанием прочности в ранние сроки твердения. В дальнейшем скорость набора прочности повышается, и к 6-12 месяцам эти характеристики приближаются к тем, что присущи портландцементом образцам, а иногда и превышают их. Скорость твердения зависит от минералогического состава клинкера, вида и количества шлака в цементе и тонкости его помола. Наиболее высокие прочностные показатели у ШПЦ. приготовленных на основе клинкеров с повышенным содержанием алита и трёхкальциевого алюмината. Увеличение содержания шлака в ШПЦ снижает его активность, а повышение удельной поверхности интенсифицирует твердение и при прочих равных условиях повышает марку.

Особенно эффективным способом повышения скорости твердения и конечной прочности ШПЦ является применение тепловлажностной обработки изделии. Оценить степень интенсификации твердения при использовании пропаривания можно с помощью коэффициента использования активности цемента. Этот показатель характеризуется отношением прочности пропаренных образцов к их прочности при нормальном твердении и выражается в %. В табл. 3 приведены сравнительные данные по этому коэффициенту для рядового портландцемента и для шлакопортландцемента. Из этих данных следует что ШПЦ имеет лучшие показатели коэффициента использования активности.

Пропаренный бетон на шлакопортландцементе по морозостойкости не отличается от бетона на портландцементе. В обычных, условиях твердения морозостойкость его удовлетворительна. Однако в зоне переменного уровня воды и при попеременном замораживании и оттаивании, а также увлажнении и высыхании она меньше, чем у портландцемента. Через год твердения в нормальных температурно-влажностных условиях прочность ШПЩ нарастает в значительно большей степени, чем у обычного портландцемента. ШПЦ имеет меньшее вощение прочности при сжатии к прочности при изгибе вследствие большего значения последнего показателя. Такой цемент имеет пониженное тепловыделение при твердении.

Таблица 3

Сравнительные данные по коэффициент использования активности вяжущего при пропаривании для рядового портландцемента и шлакопортландцемента

Вид вяжущего	Коэффициент использования активности цемента(%) по отношению к разным срокам нормального твердения
	1 сут. Нормального твердения	28 сут. Нормального твердения
Портландцемент	60-67	83-84
ШПЦ	72-75	106-115

Шлакопортландцемент обладает большей сульфатостойкостью и коррозионной устойчивостью по отношению к минерализованным водам. Это объясняется тем, что выделяющийся при гидратации алита Са(ОН)₂ тут же связывается шлаковыми минералами в гидросульфоалюминат кальция и низкоосновные гидросиликаты кальция. Характерной особенностью затвердевшего шлакопортландцементного камня является повышенная по сравнению с портландцементным камнем плотность.

Специфические свойства ШПЦ (низкая экзотермия при твердении, повышенная устойчивость по отношению к агрессивным средам и т.д.) определяют области его применения. Шлакопортландцемент используют при строительстве гидротехнических сооружений в зонах постоянного уровня погружения, при строительстве шахт, портовых сооружений. ШПЦ высоких марок может быть использован при производстве сборных бетонных и железобетонных конструкций с применением тепловлажностной обработки. Не рекомендуется применять шлакопортландцемент для конструкций, подвергающихся попеременному замораживанию и оттаиванию, а также при пониженных температурах.