Отходы промышленности - эффективные химические модификаторы в цементных системах

Двадцатый век запомнится специалисту тем, что в области бетонирования и особенно в технологии бетона сделаны значительные шаги, изменившие первоначальные представления о материале, который был и остается наиболее массовым и важным в строительстве.

Строительство XXI века требует новых высокоэффективных и высококачественных бетонов, обеспечивающих проектный срок службы.

Одним из путей снижения себестоимости строительства является удешевление производства строительных материалов за счет использо­вания местного сырья, в том числе различных отходов промышленности.

Российская Федерация располагает огромными ресурсами отходов, которые в значительной степени могут быть использованы в произ­водстве бетонов, наиболее материалоемкой отрасли промышленного производства.

Известно, что на предприятиях строительных материалов, активно использующих побочные продукты промышленности, налицо эконо­мическая эффективность их применения: снижаются или исключаются затраты на разведку и добычу сырья; экономятся топливно-энергетические ресурсы; по техническим параметрам возможно произ­водство эквивалентной продукции, а зачастую и с более высокими эксплуатационными качествами. При этом особую актуальность представляют вопросы использования гранулированных фосфорных шлаков.

В настоящее время в строительстве применяется более тысячи различных видов бетона, и процесс создания новых бетонов интенсивно продолжается. Бетон широко используется в жилищном, промышленном, транспортном, гидротехническом, энергетическом и других видах строительства.

В связи с этим проблема целенаправленного управления технологическими и эксплуатационными свойствами бетонов путем применения новых эффективных химических модификаторов в цементные материалы, особенно на основе местных сырьевых материалов, приобретает с каждым годом все большую актуальность.

Глубокий анализ последних достижений в области применения химических модификаторов к цементным системам представляет собой весьма трудную задачу вследствие большого количества иссле­дований, проведенных опытно-производственных работ и многообразия использованных продуктов. В связи с этим не представляется воз­можным претендовать на всеобщий исчерпывающий анализ существа рассматриваемой проблемы, а именно теории и практики химических модификаторов в цементных системах. Исходя из этого, в данной работе рассматривается только узкий диапазон применяемых в настоящее время химических добавок, представляющих наибольший интерес и, что самое важное, в соответствии с требованиями строительного рынка и строительного комплекса России.

Современные требования строительного рынка диктуют необходи­мость изыскивать новые источники сырья, в частности для производства местных вяжущих веществ. К числу таких сырьевых ресурсов, прежде всего, следует отнести гранулированные электротермофосфорные шлаки.

Исследованиями, проведенными И.А. Крыжановской и др. установ­лена возможность использования в производстве шлакопортландцемента гранулированного фосфорного шлака до 15 % без снижения активности вяжущего. Такого же мнения в своих исследованиях придерживаются И.С. Канцепольский, С.В. Терехович, А.П. Хлебов. Свойства порт­ландцемента, содержащего добавку электротермофосфорного шлака, не отличаются от свойств портландцемента с добавкой доменного шлака. Установлено, что этот цемент характеризуется медленным нарастанием прочности и отсутствием сброса прочности в процессе гидратации. Наиболее целесообразно использовать его для приго­товления массивного бетона в гидротехнических сооружениях, а также районах с сухим жарким климатом, так как этот цемент отличается низкой экзотермией. Электротермофосфорные шлаки являются лучшей добавкой для производства сульфатостойкого портландцемента, так как они содержат меньше глинозема, чем все применяемые доменные шлаки. Присутствие в фосфорных шлаках соединений фосфора (Р₂О₅) и фтора (F, CaF₂) положительно влияет на свойства сульфатостойкого портландцемента, снижая интенсивность образования эттрингита в структуре цементного камня, твердеющего в растворе сульфата натрия. Введение гранулированного фосфорного шлака в сырьевую смесь при производстве цемента позволяет интенсифицировать процесс клинкеро­образования и повышает активность цемента, при этом он служит минерализующей и легирующей добавкой.

Для получения высокопрочного силикатного бетона на основе фосфорного шлака и извести А.В. Волженский, Т.М. Тиранова, Б.Н. Виноградов предлагают следующий состав вяжущего: молотый фосфорный шлак 85 % и извести 15 %. Физико-химическими анализами было установлено, что продуктами взаимодействия извести и фосфорного шлака после гидротермальной обработки являются низко- и высоко­основные гидросиликаты кальция. Прочность силикатных изделий, полученных на основе известково-фосфорношлаковых вяжущих, в зависимости от температуры гидротермальной обработки колеблется от 17 до 72 МПа.

Изучение долговечности и физико-механических свойств бетонов на цементах с добавкой фосфорных шлаков, проведенные У.А. Аяповым, Д.С. Андарбаевым, С.А. Архабаевым и З.Б. Шормановой показало, что портландцемент, содержащий 15 % гранулированного фосфорного шлака не уступает по морозостойкости, деформативности и другим показателям бетонам с добавкой доменных шлаков, а по сульфато­стойкости даже превосходит последнее. По защитным свойствам по отношению к стальной арматуре бетоны с добавкой фосфорного шлака не уступают бетонам на цементах с добавкой доменного шлака.

Высокая сульфатостойкость бетонов на цементах с добавкой фосфорного шлака объясняется малым содержанием глинозема, а следо­вательно образованием меньшего количества гидросульфоалюмината кальция, чем при коррозии цемента с добавкой доменного шлака.

Практика применения фосфорных шлаков в цементной промышлен­ности показала, что цементные заводы не полностью используют имеющееся шлаки и их количество в отвалах не уменьшается. Поэтому проблема утилизации фосфорных шлаков стоит на повестке дня все еще остро.

В последние годы многие ученые склонны использовать грану­лированные фосфорные шлаки непосредственно в качестве вяжущего материала. В связи с чем были поставлены специальные исследования по изучению гидравлической активности шлаков. Так, исследованиями А.В. Волженского, П.П. Будникова, В.С. Горшкова, Ю.С. Бурова, К.К. Куатбаева и других установлено, что шлаки, имеющие в своем составе значительное количество оксидов кальция и стеклофазы, проявляют вяжущие свойства, хотя и очень слабые, но увеличивающиеся с введением в них добавок – активизаторов.

Следует отметить, что для композиционных вяжущих с мине­ральными добавками характерно более равномерное тепловыделение с растянутым во времени пиком максимальной температуры при ее более низких абсолютных значениях даже по сравнению с портландцементами, имеющими тот же минеральный состав. Это объясняется, очевидно, отмеченной выше замедленной гидратацией клинкерных минералов композиционного вяжущего, обусловленной образованием на их поверхности полупроницаемой пленки органо­минеральных соединений. В сочетании с результатами определения прочности эти данные свидетельствуют о более упоря­доченном характере гидратационных процессов структурообразования и роста прочности с кристаллизацией эттрингита, следствием чего в опре­деленной мере является компенсация усадочных явлений. Эти данные вытекают из фундаментальных трудов П.А. Ребиндера, Ю.М. Бутта, В.А. Волженского, В.Б. Ратинова и др.

Таким образом, современные бетоны существенно отличаются от классических, когда в состав входили цемент, заполнитель и вода. Современные бетоны являются многокомпонентными, в состав которых кроме цемента, заполнителя и воды входят также модификаторы, тонкодисперсные минеральные наполнители, композиционные вяжущие вещества. Существенно изменился состав бетона, повысились требования к способам его проектирования и технологии приготовления.