Портландцементный бетон
Портландцементный бетон
В обозримом будущем бетон на портландцементе по-прежнему останется преобладающим строительным материалом. Так же как и в других областях промышленности, при развитии технологии бетона необходимо учитывать широкую потребность в сохранении природных ресурсов и окружающей среды в правильном использовании энергии. Поэтому следует ожидать, что основной акцент в технологии цемента и бетона будет делаться на использование отходов и побочных продуктов. Усилия будут направлены также на применение «вторичных» материалов, таких, как отходы, получающиеся при разрушении конструкций и готовых бетонных смесей.
Значение побочных продуктов и отходов становится очевидным из посвященной этой теме библиографии, опубликованной в 1972 году Строительной научно-исследовательской станцией в Великобритании. Эта библиография охватывает работы, проведенные после 1960 г., за исключением данных о доменных шлаках, а также большей части публикаций, относящихся к исследованию золы-уноса. Тем не менее она охватывает 161 публикацию. С 1972 г. в этой области наблюдается интенсивная исследовательская деятельность.
Рассмотрим некоторые способы возможного использования побочных продуктов и отходов в технологии цемента и бетона.
Сырье при производстве цементного клинкера.
Зола-унос и доменный шлак были также предложены в качестве сырья. Фосфогипс в сочетании с глиной, оксид железа и кокс используются в производстве цемента и серной кислоты. К другим потенциально возможным к применению материалам относятся отходы производства глинозема, карбонатный шлам, отход производства сернокислого аммония и бумаги, а также гидроксид кальция, образующийся при действии воды на карбид кальция
Производство цемента.
Многие побочные продукты или отходы могут быть размолоты вместе с портландцементным клинкером или смешаны с портландцементом в качестве минеральных добавок. Для этой цели широко используют золу-унос и гранулированные доменные шлаки. Рисовая шелуха также была предложена в качестве частичной замены портландцемента. Гипс, получаемый как попутный продукт в различных отраслях промышленности, представляется обещающей заменой природного гипса. Было получено много патентов на использование побочных продуктов промышленности в качестве химических добавок.
Заполнители.
Отходы и побочные продукты могут найти широкое применение в качестве заполнителей без всякой обработки или после обработки такими методами, как агломерация, спекание, дробление и т. д. Именно это применение может быть очень полезным, так как бетон на 75% состоит из заполнителей. Были исследованы многие виды материалов, включая шлаки, отходы электростанций, регенерированный бетон, отходы при закрытой и открытой разработках полезных ископаемых, отвалы угольных шахт, битое стекло, материал, остающийся после сжигания мусора, добычи бокситов, обожженная глина и древесные опилки. Однако применение многих из этих материалов ограничивается тем, что их часто производят на больших расстояниях от строительных площадок, где существует потребность в них.
Многие разновидности материалов могут быть использованы для производства бетонных блоков методом пропаривания.
Существуют многие отходы, применяемые или потенциально пригодные в качестве заполнителей. Их можно распределить по трем группам.
Материалы I группы наиболее пригодны для применения в качестве заполнителей, т. е. там, где они в разном степени уже используются в настоящее время. Доменный шлак и зола-унос получили широкое признание в технологии бетона. Доля доменного шлака, используемого в Японии, США, Канаде и Великобритании, составляет соответственно 91, 95, 100 и 100 %. Материалы I группы обычно обладают такими ценными свойствами, как высокая прочность, определенная форма, стойкость к истиранию и соответствующий гранулометрический состав.
Материалы II группы можно рекомендовать к применению только после дальнейших исследований и разработок. В настоящее время масштабы их применения не так велики, как материалов I группы; они используются только в ограниченной степени и требуют некоторой обработки.
Материалы III группы проблематичны для применения в качестве заполнителей в бетонах. Они нуждаются в обширной обработке, их свойства нестабильны и не удовлетворяют стандартным требованиям к хорошим заполнителям. Поскольку они находятся в виде шлама, перед употреблением их необходимо обезводить, что повышает стоимость обработки.
Доменный шлак.
Железная руда в доменной печи превращается в железо, тогда как при высоком содержании извести образуется C2S.
При медленном охлаждении шлака на воздухе образуется кристаллический плотный продукт, известный под названием «шлак воздушного охлаждения». Когда шлак быстро выгружается и обрабатывается в струе воды, образуется легкий продукт, известный как «вспученный шлак».
Шлак воздушного охлаждения пригоден в качестве заполнителя для бетона.
Результаты свидетельствуют о том, что у бетона на шлаке прочность при сжатии больше, чем у бетона на гравии. Шлаковые мелкозернистые заполнители можно использовать как полноценные заменители песка. Постоянство объема, хорошие сульфатостойкость и коррозионная стойкость к действию растворов хлоридов (для железобетона) делают бетон на шлаковом заполнителе пригодным для многих областей применения. Возможно, что коррозионная стон-кость железобетона объясняется наличием щелочей, образующихся при реакции шлака с водой.
Все вещества, входящие в состав шлака, кроме P-C2S, устойчивы при использовании в нормальных условиях. Однако при температуре окружающей среды 3-C2S может оказаться термодинамически неустойчивым и переходить в у-форму, что сопровождается 10 %-ным объемным расширением и самопроизвольным разрушением шлака. Примеси, присутствующие в шлаке, могут стабилизировать 3-форму, но трудно предсказать, являются ли отдельные включения f5-C2S в шлаке устойчивыми или нет. В Великобритании считается нежелательным наличием в шлаках C2S; так, например, в нормы BSS—1047 входят критерии стабильности, основанные на ограничениях состава; в этом документе содержится также подробное описание методов микроскопического исследования для определения 3-C2S. В редких случаях шлак может стать недоброкачественным в результате присутствия восстановленного железа, которое, окисляясь, вызывает его объемное расширение.
Вспученный шлак.
Обычно принято считать, что вспученный шлак получается вследствие резкого выделения газов и пара. Недавно было высказано предположение, что более вероятной причиной вспучивания следует считать Н, и СО, которые образуются при гидролизе карбида кальция, присутствующего в шлаке.
По сравнению со шлаком воздушного охлаждения этот шлак производится лишь в небольшом количестве. Он начадит применение при изготовлении легкого бетона. Поскольку его получают в результате быстрого охлаждения, то эта технология предупреждает образование кристаллического C2S, и опасность объемного расширения уменьшается. Объемная плотность такого шлака изменяется от 800 до 950 кг/м3. В нем содержится меньше серы, чем в шлаке воздушного охлаждения, так как некоторое ее количество освобождается в виде H2S во время процесса вспучивания.
Прочность бетона на вспученном шлаке при сжатии в возрасте 28 сут сопоставима с прочностью других легких бетонов того же возраста. Блоки из бетона на вспученном шлаке применяют как для несущих, так и для не несущих стен. Такой бетон обладает высокой огнестойкостью, а его удельная теплопроводность составляет 75 % удельной теплопроводности других легких бетонов.
Вспученный шлак может выпускаться также в виде гранул. Такой ид шлака был разработан в Канаде; то получают, направляя тонкую струю расплавленного шлака в воду, находящуюся во вращающемся лопастном барабане. Чтобы выяснить, насколько успешно можно применить этот процесс к шлакам, получаемым другими способами, потребуются дальнейшие исследования. Утверждается, что при изготовлении гранулированного шлака не так сильно загрязняется воздух, как при нормальном процессе закаливания шлаков.
Сталеплавильные шлаки.
Сталь получают путем извлечения из чугуна таких примесей, как углерод, кремнии, марганец и фосфор. Это достигается плавлением чугуна совместно с известняковым или доломитовым флюсом в окисляющей среде: Известняк или доломит соединяются с окисленными составляющими чугуна, образуя сталеплавильный шлак. Сталеплавильные шлаки могут быть богаты фосфором или кальцием, в них содержится метастабильный C2S, п поэтому их применяют только как заполнители дорожных асфальтобетонов, но они непригодны для использования в цементном бетоне. Сталеплавильный шлак перед использованием обычно до одного года выдерживают в штабелях, чтобы предотвратить изменение объема, обусловленное нестабильностью C2S. При этом выдерживании допускается гидратация зерен обожженного доломита и магнезита.
Другие металлургические шлаки.
По сравнению с доменными и сталеплавильными шлаками количество других шлаков, получаемых в результате производства меди, цинка, свинца, никеля и олова, сравнительно невелико. Проблемы использования этих шлаков еще нуждаются во всестороннем исследовании. Шлаки, получаемые при производстве цинка и свинца, могут в бетоне вызвать щелочную коррозию кремнезема. Они были изучены в качестве заполнителей для асфальтобетона. Шлаки воздушного охлаждения, получаемые при производстве фосфора, исследовались в качестве заполнителей для цементного бетона.
Отходы тепловых электростанций.
При сжигании угля в тепловых электростанциях (ТЭС) образуется несколько типов побочных продуктов. В ТЭС старой конструкции, работающих на кусковом твердом топливе, остается так называемый печной клинкер. На современных предприятиях, где используется распыленное твердое топливо, остающиеся после сгорания частицы подвергают электростатическому осаждению н собирают. Такие частицы называются золой-уносом или порошкообразной топливной золой. Некоторые из частиц золы совместно с котельным шлаком оседают на дно обжиговых агрегатов, поэтому их называют печной подовой золой. В некоторых печах образуется также расплавленный остаток, известный как котельный шлак.
Печной клинкер содержит заметное количество несгоревшего угля и других загрязнений; его применяют, главным образом, при производстве заполнителей, требования на которые даны в нормах BSS—1165—1966. Этот материал, содержащий сульфаты и хлориды, не рекомендуется использовать при изготовлении железобетона. По мере перехода на порошкообразное топливо ТЭС печной клинкер станет применяться все реже.
Печная подовая зола составляет примерно 2,5 % всей производимой золы. Ожидается, что потребление золы будет возрастать по мере повышения масштабов использования угля.
Химические анализы печной подовой золы аналогичны результатам анализов золы-уноса, за исключением щелочей и сульфатов, которых больше содержится в первом из них. Печная подовая зола и котельный шлак могут быть использованы в качестве легких заполнителей при изготовлении бетонный блоков.
Зола-унос пригодна для производства легких заполнителей, однако объем ее применения для этих целей невелик: в США, Великобритании и ФРГ ежегодно используется лишь около 0,13, 0,26 и 0,2 млн. т золы-уноса.
Для производства легкого бетона легкие заполнители вспученные глина, шлак, пемза смешивают с цементом. Преимущество от применения золы-уноса, описанное выше, заключается в том, что несгоревший уголь, содержащийся в золе, обеспечивает тепло, до-2 статочное не только для испарения влаги, но и для спекания гранул.
Исходную золу-унос смешивают с водой и формуют гранулы с помощью конических дисков или барабанов либо путем экструзии. Обнаружено, что добавление небольших количеств щелочи приводит к получению гранул с лучшим сопротивлением динамическому механическому воздействию и термическому удару.
При агломерации на колосниковой решетке температура достигает 1150— 1200 °С; это способствует тому, что дисперсные частицы золы-уноса плавятся, образуя брикеты. Затем эти брикеты дробят до получения гранул. Бетон, изготовленный на таких заполнителях, имеет через 28 сут прочность при сжатии 56 МПа и плотность 1100—1800 кг/м3. Поскольку эти заполнители имеют хорошие форму, прочность и умеренную абсорбцию воды, они пригодны для изготовления легкобетонных блоков и конструкций из легкого бетона. Требования к заполнителям из золы-уноса содержатся в нормах BSS—3797.
Значения оптимальной крупности-золы-уноса для процесса их агломерации и производства гранул еще не изучены, так как необходимые размеры фракций лежат ниже 10 мкм. Большее практическое значение имеет подход, основанный на измерении площади поверхности золы. Химический состав золы не играет важной роли, поскольку температура агломерации лежит ниже той температуры, при которой была изготовлена зола. Тем не менее известно что заполнители нужного качества могут быть получены при содержании в них карбонатов между 3 и 10 %. Избыточные количества железа вызывают окрашивание бетона.
Хотя процесс производства легких наполнителей из золы-уноса протекает при высоких температурах, имеются сведения о том, что золы с удельной поверхностью выше 450 м2/кг обладают пуццоланическими свойствам.