68Вяжущие вещества автоклавного твердения

Пользуясь классификацией автоклавных материалов по составу исходных материалов, предложенной П. И. Боженовым, можно выделить следующие группы вяжущих автоклавного твердения: а) силикатные, приготовленные из сырьевой смеси, содержащей известь (гашеную или молотую кипелку) и кварцевый песок, образующие силикаты кальция в процессе автоклавной обработки; б) шлаковые, изготовляемые с использованием металлургических или топливных шлаков в качестве кремнеземистого компонента; в) зольные, приготовляемые с применением золы от сжигания угля, сланцев, торфа; г) вяжущие, изготовляемые с использованием отходов химической (нефелиновый шлам и др.) и горно-добывающей промышленности. Каждое из указанных вяжущих содержит две главные части: кремнеземистый компонент (SiO₂ в кристаллической пли аморфной форме) и известь (СаО); вводимые добавки могут регулировать процесс структурирования. Твердение этой группы вяжущих основано на техническом синтезе гидросиликатов кальция, происходящем в среде насыщенного водяного пара при температуре (в промышленных автоклавах) 174,5-200⁰С и соответствующем давлении пара 0,9-1,3 МПа. В результате взаимодействия оксидов SiО₂ и СаО с участием воды образуется группа гидросиликатов - тоберморитовсостава 5CaO-6SiО₂-nH₂О с различным количеством воды (n - 3-10,5). Тоберморитам, обусловливающим высокую прочность автоклавных материалов, могут сопутствовать плохо закристаллизованные гидросиликаты. Вяжущие автоклавного твердения применяют изготовления разнообразных материалов: пористые(газосиликат, пеносиликат) - для теплоизоляции элементов наружных стен и покрытий зданий; плотные - для конструкционных элементов. Использование промышленных отходов, не требующих обжига, для бесцементных вяжущих материалов дает возможность экономить топливо и энергию, получать сравнительно низкую их себестоимость и одновременно решать экологические проблемы защиты среды от загрязнения отходами производства.

Для получения шлаковых вяжущих автоклавного твердения возможно применение как гранулированных, так и медленно охлажденных сталеплавильных шлаков и шлаков цветной металлургии.

Шлакосодержащие вяжущие можно подразделить на следующие основные группы: портландцемент и шлакопортландцемент, сульфатно-шлаковые, известково-шлаковые, шлакощелочные вяжущие. Из них наиболее важное значение для строительства имеют портландцемент и шлакопортландцемент, объем производства которых превалирует в общем выпуске цемента. Высока и технико-экономическая эффективность использования бесклинкерных шлаковых вяжущих, характеризующихся низкой себестоимостью, несложной технологией изготовления и сравнительно высокими строительно-техническими свойствами.

Доменный шлак в производстве цементов на основе клинкера применяют как компонент сырьевой смеси и как активную минеральную добавку. Экономическая эффективность применения гранулированного шлака в качестве активной минеральной добавки в цемент в несколько раз выше, чем в качестве сырьевого компонента. Как сырьевой компонент целесообразнее применять отвальные шлаки, ресурсы которых весьма велики. По химическому составу в качестве компонента портландцементной сырьевой шихты пригодны также и сталеплавильные шлаки.

Химический состав доменных шлаков позволяет использовать их вместо глинистого и части карбонатного компонентов в составе сырьевых смесей при производстве клинкера. Для доведения силикатного модуля сырьевых смесей до обычных пределов при низком содержании в шлаках А1203 (5—7%) в них вводят соответствующие корректирующие добавки.

Шлаки можно рассматривать как в значительной мере подготовленное сырье. В их составе СаО связан в различных химических соединениях, в том числе и в виде двухкальциевого силиката — одного из минералов цементного клинкера. Высокий уровень подготовки сырьевой смеси при применении доменных шлаков обеспечивает повышение производительности печей и экономию топлива. Замена глины доменным шлаком позволяет снизить на 20% содержание известкового компонента, уменьшить при сухом способе производства клинкера удельный расход сырья и топлива на 10—15%, а также повысить производительность печей на 15%.

Для заводов сухого способа производства, эксплуатирующих печные агрегаты с циклонными теплообменными устройствами, наиболее рациональным представляется использование шлаков в качестве компонента сырьевой смеси с организацией совместного измельчения всех исходных материалов.

Практикой доказана эффективность использования шлаков в составе сырьевой смеси и при мокром способе производства. Установлено, что при использовании шлакового шлама производительность вращающихся печей увеличивается на 13—20%, расход сырьевых материалов на 1 т клинкера снижается примерно на 12%, удельный расход топлива — на 10—15%. Для предохранения шлаковых шламов от загустения, расслоения и схватывания целесообразно в их состав вводить добавки поверхностно-активных веществ (ПАВ) и применять интенсивное перемешивание.

Значительный прирост производства клинкера можно получить при двухстороннем питании вращающихся печей. Разработаны и применяются технологические схемы подачи молотого шлака в печь с ее горячего конца ( 2.3), а также дополнительного питания печей путем введения доменного шлака за цепную завесу и в зону декарбонизации. При этом производительность печей повышается на 20— 25%, а удельный расход топлива снижается на 10—15%.

Представляют практический интерес способы получения портландцементного клинкера обогащением шлакового расплава необходимыми добавками. Опробованы конвертерный и электротермический способы химического обогащения жидких доменных шлаков, при котором тепловым агрегатом служит соответственно стационарный конвертер и электродуговая печь. В последнем случае достигается высокий тепловой КПД (70—80%) и технологическая маневренность, позволяющая при изменении электрического режима печи регулировать температурные условия плавки. Технико-экономическая эффективность указанных способов заключается в том, что металлургическое производство непосредственно кооперируется с цементным, что позволяет снизить капитальные затраты.

Технологическая схема применения техногенных продуктов в составе сырьевой смеси должна разрабатываться в зависимости от принятого способа приготовления этой смеси на каждом конкретном предприятии с учетом особенностей его сырьевой базы и типоразмеров печного агрегата. Так, для мокрого способа производства наиболее эффективна организация дополнительного питания печей шлаками. На основании разработок Южгипроцемента, подтвержденных в промышленных условиях, показана целесообразность использования для этой цели неразмолотых компонентов. При совместном мокром помоле с гранулированным доменным шлаком влажность сырьевого шлама существенно снижается. Однако при таком способе приготовления сырьевой смеси производительность сырьевых мельниц уменьшается более чем на 30%, а шлакосодержащий шлам склонен к загу-стеванию и осаждению в бассейнах.

Использование неразмолотого шлака для дополнительного питания печей мокрого способа производства клинкера требует раздельного приготовления шлама с последующим смешением его со шлаком перед подачей в печь в отдельном смесителе или же непосредственно в рабочем объеме печи. При организации подачи шлака со шламом необходимо учитывать реологические свойства шлама и его способность транспортировать шлак.

При применении маложелезистых шлаков — доменных и ферро-хромовых (разновидность шлаков ферросплавного производства) — при создании восстановительных условий плавки в электропечах возможно получение белых цементов. При окислении металлического хрома, содержащегося в феррохромовых шлаках, получают клинкеры с ровной и стойкой зеленой окрадкой.

В портландцемент с минеральными добавками при измельчении клинкера допустимо введение до 35% доменного шлака. При этом практически без изменения активности цемента расход клинкера снижается на 14—16%, а расход топлива уменьшается на 17—18%. По сравнению с бездобавочным цементом наблюдается некоторое понижение прочности на сжатие и изгиб в ранние сроки твердения, увеличивается усадка и повышается водоотделение. Коррозионная стойкость портландцемента с добавкой шлака выше, чем для бездобавочного цемента как при нормальном твердении, так и после тепловлажностной обработки.

Портландцемент с добавкой доменных шлаков обладает достаточно высокой морозостойкостью. Он надежно защищает стальную арматуру в бетоне от коррозии.

Использование добавки шлака в портландцементе является эффективным средством предотвращения вредного влияния щелочных оксидов, что особенно важно при использовании реакционноспособных заполнителей, а также для борьбы с высолообразованием. Хорошие результаты достигаются при использовании в портландцементе смешанной добавки, содержащей доменный шлак и активную минеральную добавку осадочного происхождения.

Шлакопортландцемент — это гидравлическое вяжущее вещество, твердеющее в воде и на воздухе, получаемое совместным тонким измельчением клинкера, требуемого количества гипса и доменного гранулированного шлака (35—80%) или тщательным смешиванием тех же материалов, измельченных раздельно.