Использование побочных продуктов производства при получении вяжущих веществ может осуществляться в трех направлениях:

- как исходного сырья или компонента шихты для получения вяжущих;

- как компонента, который входит в состав готового вяжущего вещества;

- как добавки-модификатора свойств вяжущего.

Наиболее распространенными попутными продуктами промышленности, которые используются при производстве портландцементного клинкера, являются металлургические шлаки, золошлаковые отходы ТЭС, пыль электрофильтров, отходы химических производств (электротермофосфорные шлаки, фосфогипс, красный шлам).

В качестве компонента сырьевой смеси для производства клинкера целесообразно применять некондиционные и негранулированные отвальные шлаки, которые могут заменить не только глинистый компонент, но и часть известняка. Экономическая эффективность от их использования обусловлена снижением расхода топлива на обжиг клинкера и повышением производительности печей.

Замена глины доменным шлаком позволяет снизить на 20 % содержание известняка, уменьшить удельный расход сырья и топлива приблизительно на 10-15 %, а также повысить производительность печей на 15 %.

Использование сталеплавильного шлака позволяет частично заменить глину, известняк и корректирующие добавки в составе шихты. Исследованиями показана перспективность в виде сырьевого компонента также магнезиальных и титанистых доменных шлаков.

Шлаки цветной металлургии от плавления никелевых, медных и полиметаллических руд являются эффективной железистой добавкой для получения портландцементного клинкера, поскольку они способствуют снижению расхода глины, а в некоторых случаях и известняка. Их можно также применять как активные минеральные добавки.

Отходы химических производств в виде электротермофосфорных шлаков рекомендуется добавлять к сырьевой смеси в количестве 6-12 % от общей массы шихты при ограничении содержания оксида фосфора в клинкере (0,2-0,35 %). При этом отмечается повышение прочности портландцемента на 2,5-8 МПа. Наряду с гранулированными шлаками иногда применяют закристаллизованные (отвальные) шлаки, которые снижают влажность сырьевого шлама, не ухудшая его свойств, а также обеспечивают более высокую реакционную способность, чем традиционные глинистые компоненты или гранулированный шлак.

Наряду со шлаками при получении портландцементного клинкера в виде силикатных компонентов можно применять топливные золы и золошлаковые смеси, в результате чего улучшаются условия обжига сырья и корректируются химико-минералогический состав клинкера, а соответственно, повышается качество цемента.

К вяжущим материалам, содержащим шлак как основной компонент, относятся сульфатно-шлаковые, известково-шлаковые и шлакощелочные вяжущие вещества. Шлак как минеральная добавка входит в состав шлакопортландцемента и композиционного цемента.

При помоле портландцементного клинкера совместно с минеральными добавками можно вводить до 20 % доменного гранулированного шлака, причем практически без изменения активности цемента расход клинкера снижается на 14-16 %, а затраты топлива – на 17-18 %. По сравнению с бездобавочными цементами наблюдается некоторое снижение прочности в ранние сроки твердения, увеличивается усадка и повышается водоотделение. Коррозионная стойкость портландцемента с добавкой шлака как при нормальном твердении, так и при тепловлажностной обработке, повышается на 5-10 %.

Обычно шлакопортландцемент содержит 36-80 % гранулированного доменного шлака, так же можно использовать электротермофосфорные шлаки. При производстве шлакопортландцемента (за счет введения шлака) уменьшаются топливно-энергетические расходы на единицу продукции в 1,5-2 раза, а себестоимость – на 25-30 %.

Некоторые попутные продукты промышленности используют как добавки-модификаторы минеральных вяжущих систем, например фосфогипс и борогипс. Фосфогипс используется как минеральная добавка, заменяющая гипсовый камень при производстве портландцемента.

Фосфогипс наиболее эффективно использовать при производстве сухих строительных смесей.

Большинство отходов химической, легкой и нефтеперерабатывающей промышленности применяют как добавки специального назначения, то есть пластификаторы, гидрофобизаторы, интенсификаторы помола портландцементного клинкера.

Бетоны

Требования, предъявляемые к материалам для изготовления бетона. Свойства бетонной смеси. Структура бетона. Факторы, влияющие на прочность бетона

Бетон представляет собой искусственный каменный компози­ционный материал, получаемый при затвердевании рационально подобранной смеси из вяжущего вещества, воды, заполнителей и в ряде случаев специальных добавок. До затвердевания эта смесь называется бетонной. Заполнители и вода составляют 85-90 % массы бетона, вяжущее – 10-15 %.

Бетоны можно классифицировать по ряду признаков.

По средней плотности различают бетоны особо тяжелые – со средней плотностью более 2500 кг/м³, изготовляемые с применением тяжелых заполнителей (магнетита, барита, чугунного скрапа и др.). Такие бетоны применяются для изготовления специальных защитных конструкций; тяжелые – со средней плотностью 2200-2500 кг/м³ на песке, щебне или гравии из тяжелых горных пород. Их используют во всех несущих конструкциях; облегченные – со средней плотностью 1800-2200 кг/м³, применяемые преимущественно в несущих конструкциях легкие – со средней плотностью 500-1800 кг/м³. К ним относятся легкие бетоны на пористых природных и искусственных заполнителях, ячеистые бетоны (газобетон, пенобетон), крупнопористые (беспесчаные) бетоны на плотном или пористом заполнителе; особо легкие (ячеистые и на пористых заполнителях) – с плотностью менее 500 кг/м³, используемые для теплоизоляции.

По виду вяжущего различают бетоны цементные (наиболее распространенные), шлаковые, известковые, смешанные силикатные (цементно-известковые, известково-шлаковые и др.), силикатные, гипсовые, шлакощелочные, асфальтобетонные, полимербетонные и др.

По виду заполнителей различают бетоны на плотных, пористых, специальных заполнителях, удовлетворяющих особым требованиям (защиты от излучений, жаростойкости, химической стойкости и др.).

По назначению бетоны подразделяют на конструкционные и специальные. Конструкционные применяют для изготовления несущих и ограждающих строительных конструкций. Основным показателем качества этих бетонов является прочность. В зависимости от конкретных условий эксплуатации к ним могут также предъявлять дополнительные требования по водонепроницаемости, морозостойкости, коррозионной стойкости и т.д.

Специальные бетоны предназначены для работы в особых условиях. Так, жаростойкие бетоны применяют для защиты конструкций при температуре выше 800 °С; химически стойкие – в условиях действия агрессивных сред; радиационно-стойкие – для защиты от воздействия радиационных излучений; теплоизоляционные – для тепловой изоляции помещений, оборудования и т. п.

На макроуровне бетон состоит из зерен крупного заполнителя и матрицы, представленной цементно-песчаным раствором. Уровень мезоструктуры включает мелкий заполнитель и матрицу из гидратированного цемента.

На микроуровне бетон состоит из продуктов гидратации цемента (портландита, эттрингита, гидросиликатов кальция, гелеобразной фазы) и его негидратированных зерен, пор и воды, заполняющей поры.

Для характеристики микроструктуры цементного камня разработан целый ряд моделей, в том числе Т. Пауэрса, Исхай, Р. Фельдмана, Р. Середы. Эти модели отличаются различной классификацией воды и различной трактовкой ее влияния на характеристики цементного камня.

Свойства микроструктуры зависят от минералогического состава гидратных новообразований. Изменяя минералогический состав вяжущего материала и условия твердения, можно получить разные типы микроструктуры цементного камня: ячеистую, зернистую, волокнистую, сотовую или сложную (комбинированную).

Межфазовую поверхность и внутреннюю поверхность новообразований в сумме можно рассматривать как поверхности фаз, влияющие на процессы синтеза свойств и развитие коррозии камня.

Одной из важных характеристик бетона является его поровая структура, или поровое пространство, определяемое как объем не заполненный твердой фазой.

При определении порового пространства различают такие понятия:

- пористость (как часть общего объема, занимаемого порами);

- внутреннюю удельную поверхность пор (как доступную поверхность в единице объема или массы данного вещества);

- распределение общего объема пор по их размерам.

Поровая структура бетона формируется с момента затворения сухой смеси водой до ее затвердевания и получения искусственного конгломерата.

Поровая структура камня определяется исходным физическим состоянием бетонной смеси, величиной водоцементного отношения, составом продуктов гидратации, их размерами и морфологией.

Свойства поровой структуры зависят от относительного количества составляющих в единице объема бетона, их свойств, гомогенизации и уплотнения смеси, а также от условий твердения.

По принятой классификации поры в зависимости от размеров можно разделить на микропоры (< 2 нм), мезопоры (2-50 нм) и макропоры (> 50 нм).

Поры, образующиеся при гидратации цемента, в зависимости от условий образования и размеров разделяют на гелевые, капиллярные, седиментационные и воздушные.)

В зависимости от количественного соотношения компонентов (цемент/ заполнитель), бетон может иметь разную структуру, в результате чего влияние его составляющих на свойства конгломерата будет разным. Известные структуры бетона условно можно разделить на три типа (рисунок 4.1).

1 – базальная (с «плавающим заполнителем»); 2 – контактная (с плотной упаковкой заполнителя); 3 – пористая (крупнопористая)

Рисунок 4.1 – Типы макростуктуры бетона