Производство шлакопортландцемента

     ВВЕДЕНИЕ 

     В последнее время в Казахстане и других странах большое внимание уделяется проблеме использования  вторичных ресурсов. Одним из наиболее перспективных направлений утилизации промышленных отходов является использование  их в производстве строительных материалов.

     Шлаки - продукты высокотемпературного взаимодействия компонентов исходных материалов - топлива, руды, плавней и газовой  среды. Трудно, пожалуй, найти другое сырье, которое обладало бы таким  множеством ценных качеств и при  этом так долго пробивало бы путь к широкому применению в строительной промышленности, как шлак. Во многих районах страны из шлака построены многоэтажные дома, промышленные здания, возведены мосты и плотины, проложены ленты автострад. Из обременительного отхода он становится признанным сырьем строительной промышленности.

       Самая ранняя попытка использования  доменного шлака относится к  1589 г., когда в Германии из него  отливали пушечные ядра. В строительстве  шлак стали применять только  в 18 веке. В Нижнем Тагиле из  шлаковых расплавов начали отливать плиты для ступеней, брусчатку для дорог, В Швеции литые шлаковые камни применялись вместо кирпича для кладки верхней части шахт доменных печей. В России и других странах отвальный шлак использовали в качестве щебня при постройке дорог. В последующие годы ценные свойства шлаков еще больше привлекают внимание ученых и практиков во всем мире к проблеме применения шлаков в строительстве.

     Основным  видом промышленной продукции, производимой на основе металлургических шлаков, является шлакопортландцемент. Впервые гранулированный шлак был применен как добавка при производстве цемента в Германии в 1892 г.Шлакопортландцемент - это гидравлическое вяжущее вещество, твердеющее в воде и на воздухе, получаемое совместным тонким измельчением портландцементного клинкера и гранулированного шлака. Содержание шлака в шлакопортландцементе по ГОСТ 10178-85 должно составлять не менее 21 и не более 60% массы цемента. Шлакопортландцементы широко применяются в настоящее время во многих странах для общих строительных работ, для гидротехнических сооружений и для сборных железобетонных изделий (например, бетонные трубы). По прочности они не уступают портландцементу, но нуждаются в более тщательном уходе при повышенных и пониженных температурах.

     Исторически сложилось так, что доменные гранулированные шлаки в некоторых европейских странах используются преимущественно для производства вяжущих материалов, особенно для производства шлакопортландцемента. В США и Японии они применяются в основном для производства заполнителя. Последнее направление позволяет вовлечь в строительный комплекс значительно большее количество шлака, чем в производство из него вяжущих веществ. Особенно эффективно производство шлакового щебня при использовании технологии придоменной переработки шлака. При этом используется та тепловая энергия, которая была аккумулирована шлаковым расплавом в процессе производства чугуна. Такая технология позволяет достичь значительную экономию топливно- энергетических ресурсов.В последние годы наблюдается рост шлаковых отвалов вокруг металлургических заводов. Одной из причин уменьшения использования доменных гранулированных шлаков цементной промышленностью является падение спроса на шлакопортландцемент. В этой связи приобретает большое значение расширение масштабов производства шлакового заполнителя, в том числе шлаковой пемзы, которая является заменителем керамзита, а также литого шлакового щебня для тяжелых бетонов.

     Необходимо  подчеркнуть, что бетоны с заполнителем из доменных гранулированных шлаков отличаются рядом преимуществ перед традиционными бетонами. Как было установлено в работах, доменный шлак в составе портландцементного бетона выполняет функцию активного заполнителя, т.е. его поверхностный слой реагирует с гидроксидом кальция, выделяющимся при гидролизе алита. При этом образуется дополнительное количество гидросиликатов кальция, которые создают чрезвычайно прочную связь заполнителя с цементной матрицей, полностью исчезают капиллярные каналы, которые в результате усадки цементного камня образуются между ним и поверхностью заполнителя. Это приводит к значительному повышению коррозионной стойкости бетона с активным заполнителем, по сравнению с традиционными составами в большинстве агрессивных сред, в том числе даже против такого грозного вида химической агрессии, как кислотная. Кроме того, благодаря специфической структуре и отсутствию микрозазоров на границе раздела вяжущего и заполнителя, такие бетоны обладают отличительными физико-механическими характеристиками. Именно этим обусловлено широкое применение бетонов на шлаковом заполнителе в США, Японии и других странах. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     1 Основные сведения и свойства  шлакопортландцемента. 

     Шлакопортландцемент — гидравлическое вяжущее вещество, получаемое в результате совместного тонкого помола гранулированного доменного шлака, портландцементного клинкера и гипса или смешения в сухом виде тех же раздельно измельченных составляющих материалов. Количество гранулированного доменного, шлака должно быть в пределах 30-60% от массы цемента, а гипса - не более 5%. Для изготовления этого цемента можно применять основные и кислые доменные шлаки. Производство шлакопортландцемента и ряд его свойств аналогичны производству и свойствам пуццоланового портландцемента. При содержании шлака до 50% может быть получен быстротвердеющий шлакопортландцемент, отличающийся от обычного более интенсивным нарастанием прочности в начальный период твердения.

     Шлакопортландцементом называется гидравлическое вяжущее, получаемое путем тонкого измельчения портландцементного клинкера совместно с гранулированным доменным или электротермофосфорным шлаком, а также с двуводным гипсом. Для получения быстротвердеющего шлакопортландцемента порошок портландцемента иногда размалывают с гранулированным шлаком. Шлака в шлакопортландцементе должно быть не менее 21% и не более 60% по массе (ГОСТ 10178), В шлакопортландцементе марки 300 содержание доменного гранулированного шлака допускается свыше 60%, но не более 80% массы цемента. Гипс вводят в шлакопортландцемент для регулирования сроков схватывания, а также в качестве активизатора твердения шлака.

     По  своим физико-механическим свойствам  шлакопортландцемент близок к обычному портландцементу, но выгодно отличается от него более низкой стоимостью. При  прочих равных условиях стоимость его  на 15-20% ниже стоимости портландцемента. Сейчас примерно около 25% всего выпускаемого в нашей стране цемента приходится на долю шлакопортландцемента. В значительных количествах издавна выпускается он и в других странах (Франция, ГДР, ФРГ, США, Англия и др.).

     Клинкер на заводах шлакопортландцемента целесообразно изготовлять с применением в качестве глинистого компонента гранулированного шлака. При этом близость химических составов доменных шлаков и портландцемента позволяет получать сырьевую смесь надлежащего качества при небольших добавках известняка. Это уменьшает расход топлива на диссоциацию карбоната кальция и, следовательно, на обжиг цемента. Сырьевую смесь готовят тонким измельчением шлака и известняка, взятых в установленном соотношении.

     Для получения клинкера можно применять медленно охлажденные доменные шлаки, однако их дробление и помол требуют повышенных затрат электроэнергии, и поэтому обычно предпочитают использовать гранулированные шлаки.

     При изготовлении шлакопортландцемента гранулированный  шлак предварительно сушат в сушильных барабанах или, что эффективнее, в специальных установках в условиях кипящего слоя до влажности, не превышающей 1-2%. В этих установках паросъем достигает 230-250 кг/м при расходе тепла 4190-4600 кДж/кг испаренной воды. Шлак не следует нагревать выше 600-700°С, так как при более высокой температуре он может расстекловываться, что вызывает уменьшение его гидравлической активности.

     Однако, по данным М.И. Стрелкова, при нагревании выше 600-700°С ухудшаются свойства только активных доменных гранулированных шлаков. Шлаки же низкоактивные, подвергнутые тепловой обработке при 500-750°С, проявляют увеличенную активность, причем прочность цементов на их основе может возрасти на 30 и даже 60% по сравнению с прочностью цементов на тех же шлаках, но не подвергшихся нагреванию при указанных температурах. Таким образом, шлаки следует сушить при оптимальных температурах, устанавливаемых предварительными опытами.

     Высушенный  шлак, портландцементный клинкер  и гипс дозируют и направляют на помол в шаровые мельницы. Для облегчения помола можно вводить специальные добавки в количестве до 1 % массы цемента (поверхностно-активные, уголь и др.), не ухудшающие его качество.

     В настоящее время выпускается  также быстротвердеющий шлакопортландцемент, который обладает более интенсивным, чем обычные шлакопортландцементы, нарастанием прочности в начальный период твердения. Быстротвердеющий шлакопортландцемент изготовляют тонким измельчением до 4000-5000 см /г высококачественных клинкеров и активных гранулированных шлаков, смешиваемых в строго установленном соотношении.

     При производстве быстротвердеющих шлакопортландцементов  иногда применяют двухстадийный  помол материалов: вначале измельчают клинкер, а затем ведут совместный помол цементного порошка со шлаком. При таком помоле тонкие фракции шлакопортландцемента состоят преимущественно из клинкерных частичек, обусловливающих быстрое твердение вяжущего.

     Повышению активности шлакопортландцемента способствуют уменьшение доли шлака в цементе  и увеличение тонкости его помола.

     Содержание  основных гранулированных шлаков в  обычном шлакопортландцементе достигает 50-60%, а кислых 30-40% (в зависимости  от качества шлака и клинкера). Иногда в шлакопортландцементах до 8-10% шлака  заменяют кислой активной кремнеземистой добавкой (трепел, опока и т. п.), что, по мнению некоторых исследователей, способствует значительному увеличению его прочности.

     В остальном, производственные процессы и оборудование, применяемое на заводах шлакопортландцемента, подобны тем, какие используются на заводах портландцемента.

     Плотность шлакопортландцемента 2,8-3,0 г/см , насыпная; плотность – 900-1200 кг/м , тонкость помола та же, что и у обычного портландцемента. Несмотря на то, что шлакопортландцемент отличается несколько замедленным схватыванием, по срокам схватывания предъявляют те же требования, что и к портландцементу.

     По  пределу прочности при сжатии после 28-дневного хранения стандартных  образцов из раствора пластичной консистенции шлакопортландцемент делят на марки: 200, 300, 400 и 500. При твердении шлакопортландцемент выделяет меньше тепла и характеризуется большей водостойкостью и сопротивляемостью сульфатной коррозии, но меньшей морозостойкостью по сравнению с портландцементом.

     Шлакопортландцемент применяют для бетонных сооружений и конструкций, наиболее подверженных действию агрессивных сред (пресных и минерализованных вод). Он находит широкое применение для производства сборного железобетона с гидротермальной обработкой. 

     Химические  свойства

     Основные  составляющие доменного шлака - кварц, оксиды алюминия, кальция и магния, на которые приходится 95% всего состава  шлака. Остальные 15% - марганец, соединения железа и серы и следовое количество других элементов. Однако, следует отметить, что основные оксиды, входящие в состав шлака не встречаются в свободной форме. В доменном шлаке, охлажденном воздухом, оксиды объединяются в различные силикаты и алюмосиликатные минералы, такие как мелилит, мервинит, волластонит и др., которые также существуют в виде природных пород. В дробленом и молотом шлаках, данные элементы присутствуют в виде стекла. Химический состав шлаков варьируется в очень узких пределах, поскольку все сырье, загружаемое в доменную печь, очень тщательно отбирается и смешивается.

     Типичный химический состав доменного шлака, %

     SiО (кварц) 32-42

     А1 О (оксид аллюминия) 7-16

     СаО (оксид кальция) 32-45

     МgO (оксид магния) 5-15

     S* (сера) 1-2

     Fе О (оксид железа) 1-1,5

     МnО (оксид марганца) 0,2-1,0

     * в основном в виде сульфида  кальция 

     Физические  свойства

     Физические  характеристики шлака, такие как  вес, размер частиц, структурные свойства и т.д. различаются в зависимости  от метода обработки расплавленного шлака. Соответственно, конечное применение обработанного шлака также различается в зависимости от метода. Основным видом промышленной продукции, производимой на основе металлургических шлаков, является шлакопортландцемент. Впервые гранулированный шлак был применен как добавка при производстве цемента в Германии в 1892 г. Шлакопортландцемент - это гидравлическое вяжущее вещество, твердеющее в воде и на воздухе, получаемое совместным тонким измельчением портландцементного клинкера и гранулированного шлака. Содержание шлака в шлакопортландцементе по ГОСТ 10178 должно составлять не менее 21 и не более 60% массы цемента [5]. По американскому стандарту, содержание шлака должно составлять от 25 до 65%, по английскому не больше 65%. В Германии стандартизованы два вида шлакопортландцемента: железопортландцемент, содержащий не более 35% шлака, и доменный цемент с содержанием шлака от 31 до 85%. Во Франции выпускаются 4 вида шлакопортландцемента: железопортландцемент с 20-30% шлака, смешанный металлургический цемент с 50% шлака, доменный цемент с 70% шлака и шлако-клинкерный цемент, содержащий не менее 80% шлака. Каждый из этих видов цемента делится на две марки по прочности. В Германии каждый вид шлакопортландцемента имеет три марки по прочности, а в Англии и США - только одну марку, как и обыкновенный портландцемент, Шлакопортландцементы широко применяются в настоящее время во многих странах для общих строительных работ, для гидротехнических сооружений и для сборных железобетонных изделий (например, бетонные трубы). По прочности они не уступают портландцементу, но нуждаются в более тщательном уходе при повышенных и пониженных температурах.