Все о работе со специальными цементами.

Классификация, свойства, виды специальных цементов

Archive for Апрель, 2010

Применение скреперов в промышленном и жилищном строительстве

Скреперы находят все более широкое применение в промышленном и жилищном строительстве для планировки промышленных площадок, рытья траншей и котлованов.
При планировке промышленных площадок скреперы производят срезку грунтов заданной толщины с возвышенностей и засыпку впадин до определенной отметки. Этой операции предшествует удаление с территории площадки бульдозерами кустарников, пней, камней и других предметов, мешающих работе скреперов.
При планировке промышленных площадок наиболее эффективной является эллиптическая схема движения скреперов. При этом загрузку ковша грунтом и разгрузку его осуществляют на прямолинейных участках движения. Если участок площадки, где производится срезка грунта, имеет недостаточную длину для загрузки ковша до полного объема за один проход скрепера, грунт разрабатывают глубокими слоями. В этом случае набор грунта в ковш скрепера осуществляют с помощью трактора-толкача. Толкач, упираясь металлической плитой, установленной впереди трактора, в буфер скрепера, помогает тягачу перемещать скрепер до полной загрузки его ковша. Применение толкача позволяет уменьшить длину пути и затраты времени на загрузку ковша скрепера. В зависимости от расстояния, на которое транспортируется грунт, трактор-толкач может обслуживать разное количество скреперных агрегатов. Практика показала, что при расстоянии транспортипования до 500 м один трактор-толкач может обеспечить загрузку четырех скреперов с ковшом емкостью 6 мг, при расстоянии до 1000 м — шести скреперов, при расстоянии до 1500 м — восьми и при расстоянии до 2000 м — десяти скреперов.
В отдельных случаях объем грунта, срезаемого на возвышенных участках промышленной площадки, оказывается недостаточным для засыпки всех выемок. Тогда разработку грунта ведут в специально выбранных карьерах. Транспортируют грунт из карьеров на промышленную площадку скреперами или автосамосвалами.
Разработка траншей и котлованов скреперами возможна при следующих условиях:
1) по всей разрабатываемой площади сечение траншей и котлованов должно быть одинаковым, в противном случае могут получиться недоборы грунта, разработку которых придется выполнять только вручную;
2) въезды и выезды в котлованах и траншеях должны быть устроены так, чтобы обеспечить возможность работы нескольких скреперов;
3) крутизна уклонов на въездах и выездах не должна превышать для прицепных скреперов 20% и для самоходных— 15%.
Если местные условия не дают возможности устроить пологие выезды из котлована или траншеи, то выезд груженых скреперов из них должен осуществляться с помощью трактора-толкача. Для въезда в котлован или траншею порожних скреперов крутизна пути может находиться в пределах 1 : 2 или 1 : 2,5.
При наличии в котловане или траншее плотных грунтов разработку их ведут наклонными слоями. Это позволяет обходиться без применения трактора-толкача и предварительного рыхления грунта. Угол наклона плоскостей, на которых срезают грунт, определяют с таким расчетом, чтобы длина пути была достаточной для загрузки ковша скрепера.
При массовой застройке районов жилыми зданиями скреперы могут выполнять земляные работы одновременно на нескольких объектах. При устройстве оснований в просадочных лёссовидных грунтах под фундаменты двух расположенных рядом зданий разработка может осуществляться в следующей технологической последовательности.
Скреперы отрывают котлован под первое здание и транспортируют грунт во временный отвал, расположенный на расстоянии 30—50 м от котлована. По окончании разработки грунта скреперы зачищают дно котлована, одновременно уплотняя разрыхленный верхний слой грунта в нем. Затем скреперы разрабатывают и транспортируют в отвал верхний растительный слой грунта с площадки второго котлована. После снятия растительного слоя скреперы разрабатывают грунт во втором котловане и транспортируют его в первый котлован для устройства основания под фундамент. Отсыпку грунта в первом котловане скреперы ведут слоями толщиной 0,2—0,25 м. Разрабатывая грунт в одном котловане и отсыпая его в другом, скреперы движутся по схеме «восьмерка», что позволяет использовать для работы несколько скреперов.
По окончании отсыпки до проектной отметки и уплотнения основания в первом котловане скреперы начинают транспортировать грунт из временного отвала во второй котлован для устройства основания под фундамент второго здания.

Назначение, типы и область применения грейдеров и грейдер-элеваторов

При выполнении земляных работ на различных видах строительства и особенно в дорожном и гидротехническом строительстве грейдеры и грейдер-элеваторы применяют для планировки строительных площадок и откосов насыпей, профилирования поверхности земляного полотна дорог, устройства корыта для дорожного покрытия, возведения невысоких насыпей и дамб из резервов, рытья кюветов и нагорных канав.
Грейдеры и грейдер-элеваторы относятся к типу землерой-но-транспортных машин. Они разрабатывают грунт послойным резанием. Конструктивной особенностью грейдеров и грейдер-элеваторов является возможность при передвижении их перемещать срезаемый ножами грунт отвалом в сторону от оси движения агрегата. В процессе работы грейдер-элеватора срезаемый грунт поступает на ленту транспортера для перемещения в отвал или в транспорт.
По способу передвижения в процессе производства работ грейдеры подразделяют на прицепные грейдеры и автогрейдеры.
Прицепные грейдеры работают в сцепе с гусеничными тракторами. По размерам отвалов различают два типа прицепных грейдеров: грейдеры легкого и тяжелого типа. Грейдер легкого типа имеет несущую раму, на которой укреплена тяговая рама с рабочими органами, сиденье машиниста и механическая система управления. Ходовое устройство состоит из четырех колес с металлическими ободами. Рабочим органом грейдера является отвал длиной 3 м с ножами. Отвал соединен с поворотным кругом. В зависимости от условий работы от-

вал может быть закреплен в среднем положении или смещен на 400 см вправо или влево от оси грейдера. Грейдер имеет дополнительное рабочее оборудование: откосник и удлинитель отвала.
Отличительной особенностью конструкций грейдеров тяже-лого типа являются большая длина отвала (до 3,7 м), возможность изменять положение отвала в вертикальной и горизонтальной плоскостях, а также наличие большого числа дополнительного оборудования (удлинитель отвала, откосник, отко-сопланировщик, кирковщик, смеситель). Конструкция соединения тяговой рамы с несущей рамой грейдера позволяет поднимать, опускать, наклонять отвал в вертикальной плоскости, а также перемещать его вправо или влево относительно продольной оси грейдера. Конструкция крепления отвала к поворотному кругу позволяет изменять положение отвала в горизонталь ной плоскости, устанавливая различные углы резания (от 28 до 70°).
Прицепные грейдеры легкого типа работают в сцепе с гусеничным трактором Д-54, а грейдеры тяжелого типа — с тракторами С-80 или С-100 мощностью 80 и 100 л. с.
Автогрейдеры являются самоходными агрегатами. Они имеют пневмоколеоное ходовое устройство и монтируются, как правило, на быстроходных колесных тягачах. Это делает их высокоманевренными и более производительными по сравнению с прицепными грейдерами.

На современных автогрейдерах широко используются гидропривод и гидравлическое или пневматическое управление. В зависимости от мощности тягача автогрейдеры подразде-

ляют на три типа: легкие мощностью до 75 л. с, средние мощностью 100 л. с. и тяжелые мощностью 150 л. с.
Одной из особенностей конструкции современных автогрейдеров является 'возможность поворота отвала на 360°. Это позволяет разрабатывать грунт при движении грейдера впе-ред и назад, исключая холостые проходы. Тяговую раму автогрейдера с прикрепленными к ней поворотным кругом и отвалом можно устанавливать в вертикальной и го-ризонтальной плоскостях в любое положение.
Ходовое устройство автогрейдеров имеет трехосную конструкцию. На автогрейдерах тяжелого типа все шесть колес являются ведущими, что увеличивает сцепной вес автогрейдера и улучшает проходимость его на слабых грунтах.
Некоторые модели автогрейдеров имеют систему централизованной подкачки шин. Такое устройство позволяет регулировать давление воздуха в шинах в процессе работы и благодаря этому лучше использовать тяговые свойства тягача в зависимости от условий работы. Автогрейдеры успешно применяют на дорожном и гидротехническом строительстве. На автогрейдерах может быть установлено дополнительное рабочее оборудование — кирковщики, откосники, удлинители, грейдер-элеваторные установки, снегоочистители, бульдозерные отвалы. Возможность установки перечисленных типов оборудования расширяет область применения автогрейдеров и позволяет использовать их в различное время года.

Доменные шлаки

Железные руды наряду с окислами железа содержат то или иное количество примесей (кварцевый песок, глина, карбонаты кальция и магния, соединения фосфора и серы и др.), называемые в совокупности пустой породой. Некоторые из них — соединения фосфора и серы — вредно отражаются на качестве чугуна. Неорганические примеси есть и в топливе, загружаемом в домну для плавления руды. Поэтому в процессе доменного производства необходимо не только восстановить из окислов железо, но и освободить его от примесей, вносимых с рудой и топливом.
Так как пустая порода в руде редко бывает легкоплавкой, то для ее удаления в шихту вводят специальные добавки — плавни (флюсы), способные образовывать с ней легкоплавкие соединения. В качестве плавней (флюсов) применяют обычно карбонатные породы — известняк, доломит и т. п.
В процессе плавки карбонаты вступают в химическое взаимодействие с компонентами пустой породы и минеральной части топлива, причем образуются легкоплавкие силикаты и алюмосиликаты кальция и магния. При 1400—

1500°С эти соединения плавятся и в виде шлакового расплава, скапливающегося из-за меньшей плотности над слоем чугуна, выпускаются из доменной печи. При выплавке 1 т чугуна на коксе в среднем получается 0,6— 0,75 т шлака.
Химический состав доменных шлаков зависит от состава руды, плавней, вида применяемого топлива и выплавляемого чугуна.

Обычно в состав доменных шлаков входят окислы CaO, Si02, А1203, MgO, FeO и сернистые соединения CaS, MnS, FeS, а иногда Ti02 и соединения фосфора. В незначительных количествах встречаются в шлаках и другие окислы, существенно не влияющие на их свойства. Преобладающими в доменных шлаках являются СаО, Si02) А12Оз и отчасти MgO, суммарное содержание которых достигает 90—95%.
По химическому составу доменные шлаки отличаются от портландцементного клинкера лишь соотношением некоторых компонентов. Шлаки содержат повышенное количество кремнезема и частично глинозема и меньше окиси кальция.

Быстроохлажденные стекловидные доменные шлаки в зависимости от их химического состава способны в тонкоизмельченном состоянии взаимодействовать с водой и твердеть подобно портландцементу (при введении активизаторов).
Степень гидравлической активности шлаков по аналогии с портландцементным клинкером может быть в некоторой мере охарактеризована модулями (модулем основности и модулем активности).
Модуль основности М0 доменного шлака представляет собой отношение содержащихся в нем основных окислов (в%) к сумме кислотных окислов:

В зависимости от численного значения этого модуля различают шлаки: основные, модуль основности которых равен или больше единицы, и кислые с модулем основности меньше единицы.
Модуль активности Ма выражает отношение количества глинозема в шлаке к содержанию кремнезема (в%):
Гидравлическая активность доменных шлаков в большинстве случаев с увеличением модуля основности и особенно модуля активности возрастает. Однако роль отдельных окислов в формировании гидравлической активности шлаков иная, чем в портландцементном клинкере.
Окись кальция в доменных медленно охлажденных, закристаллизованных шлаках, как правило, полностью связана с кремнеземом и глиноземом в соединения меньшей основности, чем в цементном клинкере, с образованием преимущественно двухкальциевого силиката (2CaO-Si02), ранкинита (3CaO-2Si02), псевдоволласто-нита a-CaO-Si02 и мелилита (твердых растворов геле-нита 2CaO-Al203-Si02 и окерманита 2CaO-MgO-2Si02). Если окиси кальция больше 44—46%, то закристаллизованные шлаки приобретают склонность к силикатному распаду: куски и зерна шлака со временем самопроизвольно превращаются в порошок. Это явление обусловлено полиморфным превращением моноклинического в-

2Ca0-Si02 в ромбический Y-2CaO-Si02, происходящим при температуре ниже 525° С и сопровождающимся уменьшением плотности.
Окись магния в шлаках связывается преимущественно в устойчивые соединения (окерманит и др.) и поэтому не может вызывать неравномерных объемных изменений, что происходит иногда при твердении портландцемента из природного магнезиального сырья, содержащего, как правило, после обжига свободную MgO.
Окись магния при обычном содержании ее в шлаке до 8—10% является в известной мере заменителем СаО и благоприятно влияет на гидравлическую активность шлаков.
Ряд исследований, а также практика свидетельствуют о возможности использования доменных шлаков, содержащих до 15—20% окиси магния в производстве шла-копортландцемента (хотя с увеличением содержания MgO активность вяжущих несколько снижается). Есть данные и о том, что с увеличением содержания MgO в шлаке уменьшается стойкость шлакопортландцементов по отношению к действию растворов MgS04.
Окись алюминия в шлаках связывается в соединения, обусловливающие их повышенную гидравлическую активность, особенно при одновременном значительном содержании окиси кальция.
Кремнезема в шлаках всегда больше, чем в портландцементном клинкере. Шлаки с большим содержанием Si02 при охлаждении почти не кристаллизуются и застывают в виде стекла.
Закись марганца вредно влияет на гидравлическую активность доменных шлаков из-за частичного замещения окиси кальция в активных соединениях и образования менее активных соединений. По данным П. П. Будникова, С. М. Рояка, В. Ф. Крылова и др., присутствие в шлаках более 3—4% МпО снижает их активность, неблагоприятно отражаясь на структуре и свойствах шлакового стекла.
По ГОСТ 3476—60 содержание МпО в шлаках, применяемых для изготовления вяжущих веществ, не должно превышать 4%.
Вместе с тем И. Л.Значко-Яворский, а также К. С.Ку-тателадзе и В.Н.Шапакидзе, применяя ферромарганце-вые шлаки с содержанием закиси марганца до 15—20%, получали шлакопортландцемент с удовлетворительными

показателями прочности. Это свидетельствует о необходимости дальнейших исследований.
Закиси железа при нормальном ходе доменного процесса в шлаках немного и практически она не влияет на их гидравлическую активность.
Сернистые соединения — CaS, MnS и FeS — в шлаках содержатся, как правило, в незначительных количествах.
Обычно количество сернистого кальция CaS составляет 2—3%, но даже при содержании до 5% он повышает гидравлическую активность шлаков. Основная часть сульфида кальция при взаимодействии с водой подвергается гидролизу по реакции 2CaS+2H20 = Ca(HS)2+ +Са(ОН)2. Образующийся при этом Са(ОН)2 способствует активизации стекловидной составляющей шлака. Другая часть при наличии в шлаке элементарной серы может давать полисульфиды.
По мнению М. И. Стрелкова, образование сульфида кальция, снижая основность силикатов кальция, ухудшает свойства шлаков; вместе с тем его гидролиз при твердении шлаков способствует их активизации.
FeS и MnS, присутствуя в шлаке, могут вызывать железный или марганцевый распад. Под влиянием воды эти соединения гидролизуются с образованием гидратов закисей железа и марганца по реакции MnS+2H20= = H2S-fMn(OH)2. Удельный объем новообразований значительно больше объема исходных веществ, что и вызывает распад шлаков.
Однако опыты К. С. Кутателадзе и В.Н. Шапакидзе показали, что MnS обладает вяжущими свойствами. Наличие в составе шлака до 2—5% MnS повышает его активность. Таким образом, здесь необходимы дальнейшие исследования.
Двуокись титана Ti02 из-за малого содержания существенно не влияет на свойства доменных шлаков.
Соединения фосфора в шлаках, присутствуя в небольших количествах, могут способствовать стабилизации p-C2S, предотвращая распад шлаков. Однако при их значительном содержании они снижают активность шлаков и замедляют скорость схватывания шлаковых вяжущих веществ.
Минералогический состав и структура доменных шлаков. Структура и фазовый состав затвердевших шлако-

вых расплавов зависят от их химического состава, в частности от их основности и условий охлаждения.
При медленном охлаждении, например в отвалах, основные шлаки почти полностью успевают закристаллизоваться. Они представляют собой конгломерат различных устойчивых соединений в кристаллическом виде, сцементированных небольшим количеством оставшегося стекловидного вещества переменного состава.
Расплавы кислых шлаков даже при медленном охлаждении из-за быстрого возрастания их вязкости кристаллизуются в незначительной мере и после отвердевания представляют собой вещество со стекловидной структурой.
При быстром охлаждении водой, водяным паром или воздухом расплавы основных шлаков кристаллизуются не полностью и имеют смешанную структуру.
В закристаллизованных доменных шлаках, содержащих небольшое количество окиси магния (до 4—6%) и до 5—10% А1203, обнаруживают обычно двухкальциевый силикат (|3-C2S, y^S), ранкинит и мелилит с преобладающим содержанием геленитовой составляющей.
Главными фазами в шлаках, содержащих6—8% MgO и 15—20% А1203 (шлаки уральских металлургических заводов), являются преимущественно мелилит с преобладанием окерманитовои составляющей, а также ларнит (C2S) и анортит (CaO-Al203-2Si02).KpoMeToro, вшла-ках встречаются псевдоволластонит (a-CaO-Si02), мев-винит (3CaO-MgO-2Si02), монтичеллит (CaO-MgO-•Si02), CaS, MnS.
В основных шлаках преобладают более основные соединения (2CaO-Si02, 2CaO-Al203-Si02 и др.), а в кислых — менее основные, например псевдоволластонит (a-CaO-Si02), анортит и др.
В шлаках, богатых MgO, присутствуют также форстерит (2MgO-Si02) и магнезиальная шпинель (MgO-•А1203).
В высокоглиноземистых шлаках специальных сортов чугунов содержатся алюминаты 5СаО-ЗА12Оз или 12СаО-•7А1203, СаО-А1203 и СаО-2А1203.
По современным представлениям стекло, в том числе и шлаковое, не является аморфным, полностью изотропным веществом, как полагали раньше, представляя его в виде затвердевшей бесструктурной жидкости.

В действительности, как показывают исследования, стекло характеризуется микронеоднородностью.
В соответствии с ионной теорией, развиваемой О. А. Есиным, жидкий шлак — это микронеоднородный расплав, состоящий из простых катионов (Са++, Mg++, Na+, Mn++ и других катионов модификаторов), анионов кислорода и серы, а также устойчивых комплексных анионов. Последние возникают при взаимодействии атомов кремния, алюминия, фосфора и других, так называемых стеклообразующих катионов с атомами кислорода, которые связываются с первыми ковалентными связями.
Комплексные анионы вида (Si04)4_, (AIO4)5- и др. представляют собой тетраэдр, в углах которого находятся центры атомов кислорода. В центре же тетраэдра между четырьмя атомами кислорода находится атом кремния или алюминия. Своими свободными кислородными связями комплексные анионы могут взаимодействовать как друг с другом, так и с катионами — модификаторами. Например, тетраэдры (SiC^)4- могут образовывать политетраэдрические цепи типа [(5Юз)2~]п> [Si2C>5)2~]n и т. п. В них кремнекислородные тетраэдры могут замещаться тетраэдрами (АЮ4)5- и др. Катионы-модификаторы и комплексные силикатные анионы общей формулы (SixOv)z- образуют группировки, встречающиеся в расплавах. Эти сложные образования по своему строению приближаются к соответствующим кристаллическим веществам, например к CazSiOt, CaSi03 и др.
Наибольшей активностью характеризуются группы, состоящие из простейших анионов (SiCi)4-, (AlO-i)5-, разобщенных катионами кальция, как в структуре орто-силиката. Образованию ортосиликатной структуры способствует присутствие в расплаве магния. Нарушает эту структуру, снижая активность групп, присутствие марганца.
С повышением температуры расплава происходит разрыв связей, группировки ионов становятся более мелкими и менее упорядоченными по строению и вместе с тем более реакционноспособными вследствие термодинамической неустойчивости.
Подобные микронеоднородные ионные группы в шлаковых расплавах при быстром охлаждении могут быть в той или иной степени зафиксированы в шлаковом стекле (гранулированные шлаки), а при достаточно медленном охлаждении эти группы могут явиться теми элементами, из которых путем некоторой перегруппировки и агрегации образуются кристаллические фазы затвердевшего шлака.
В стеклах, по гипотезе Порай-Кошица, химический состав смежных полимерно-кристаллитных областей подвержен колебаниям от 50 до 1000 А. Подобных же взглядов придерживаются А. И. Августинник, А. Г. Власов, С. Солаколу и др. С учетом данных А. Г. Власова можно полагать, что в шлаковых стеклах с модулем основности около 1 содержание упорядоченных участков (кристаллитов) достигает 50—70%. Между этими участками размещаются собственно аморфные прослойки.
Шлаковые стекла, как и всякое стекло, не имеют определенной температуры плавления; при нагревании они постепенно размягчаются и переходят в жидкое состояние. Находясь в термодинамически неустойчивом состоянии, они проявляют способность кристаллизоваться. Однако кристаллизация тормозится высокой вязкостью при обычных температурах и малой подвижностью крупных анионных радикалов. Поэтому при обычной температуре шлаковые стекла сохраняются в термодинамически неустойчивом состоянии неопределенно долгое время.
Гидравлические свойства доменных шлаков. Даже при самом благоприятном химическом составе ни быстро-охлажденные остеклованные, ни тем более медленноох-лажденные закристаллизованные шлаки при обычных температурах (до 15—25° С) почти не проявляют активности во взаимодействии с водой и, следовательно, не твердеют.
Однако, как показывают исследования, в доменных шлаках как в кристаллической, так и в стекловидной фазах имеются составляющие, способные при раздельном или совместном воздействии на них механических, химических и тепловых факторов к взаимодействию с водой и гидравлическому твердению, которое обусловлено образованием новых нерастворимых в воде веществ.
В частности, геленит 2CaO-Al203-Si02, практически инертный при обычных температурах, под воздействием добавки в виде гидрата окиси кальция приобретает способность гидратироваться и давать при твердении в обычных условиях цементирующие новообразования в геле-видном состоянии типа гидрата геленита C2AS-8H20,а при водотепловой обработке в автоклаве при 175— 200° С и более — гидрогранаты типа C3ASi;2H3,6 в виде мелких кристаллов, видимых в оптическом микроскопе. Окерманит — 2CaO-MgO-2Si02 — в нормальных условиях и в нейтральной среде не способен к гидратации. Под воздействием же гидрата окиси кальция, особенно в условиях водотепловой обработки в автоклаве при тех же температурах, он гидратируется с образованием, по данным П. П. Будникова, В. С. Горшкова и Г. А. Хмелев-ской, гидросиликатов кальция C2SH2 и магния Mg3S2H2. Минерал портландцементного клинкера |3-2CaO-Si02 относительно медленно гидратируется при обычной температуре и дает новообразования в виде C2SH2 и CSH (В), обеспечивающие с течением времени достижение высокой прочности. y-2CaO-Si02 в обычных условиях гидратируется весьма медленно и дает новообразования невысокой прочности. Повышение температуры до 140— 150° С и более, по данным П. И. Боженова и др., ускоряет процесс гидратации у-м°ДиФика1ГИИ ортосиликата кальция и приводит к появлению в зависимости от концентрации Са(ОН)2 в растворе гидросиликатов кальция C2SH(A) и C2SH(B), а в условиях автоклавной обработки— C2SH(C). Введение кремнеземистых добавок, в частности, в виде молотого кварцевого песка при гидратации Y-2CaO-Si02 в условиях автоклавной обработки приводит к снижению основности образующихся гидросиликатов и появлению гидросиликата CSH(B) и то-берморита CsSeHs.
Ранкинит 3CaO-2Si02 при очень тонком измельчении медленно гидролизуется и гидратируется в обычных условиях. При автоклавной обработке под давлением 15—? 40 ат (200—250°С) с добавками Са(ОН)2 ранкинит взаимодействует с ним, причем образуется C2SH(A). Для улучшения вяжущих свойств в условиях автоклавной обработки к ранкиниту целесообразно добавлять окись кальция вместе с молотым кварцевым песком. Это способствует образованию волокнистых гидросиликатов группы CSH(B) с повышенными вяжущими свойствами.
Псевдоволластонит oc-CaO-Si02 при обычных условиях не взаимодействует с водой и, следовательно, не обладает гидравлическими свойствами. При добавках к нему 10—15% Са(ОН)2 он обнаруживает способность твердеть, особенно при водотепловой обработке около 174° С и более. Однако прочность получаемых образцов не превышает 25—50 кгс/см2.
Алюминаты кальция 5СаО-ЗА12Оз, СаО-А1203 и СаО-• 2А120з встречаются в шлаках в небольших количествах. Все они сравнительно легко гидратируются и при твердении в нормальных условиях приобретают высокую механическую прочность.
По данным Б. Н. Виноградова, явная или потенциальная (проявляющаяся при водотепловой обработке в присутствии активизаторов) гидравлическая активность шлаковых фаз убывает следующим образом: трехкальциевый силикат-алюмоферриты кальция->р-2СаО-• Si02-> основное шлаковое стекло-жислое шлаковое стекло-э-мелилит->у-2СаО • Si02 -* мервинит -> монтичеллит -*- низкоосновные алюмосиликаты и силикаты кальция (анортит->ранкинит->-псевдоволластонит) -» фаялит ~>-пирокеены.
Поэтому ценность шлака или золы тем выше, чем больше содержание в них гидравлически активных фаз. При этом наличие определенного количества самостоятельно твердеющих фаз (CbS, алюмоферритов кальция, (3-C2S или основного шлакового стекла) обусловливает возможность использовать такие шлаки (с активизатора-ми" твердения или без них) для изготовления бетонов, твердеющих в нормальных воздушно-влажных условиях Если же этих фаз нет или они наблюдаются в небольших количествах, то необходимо вводить активиза-торы твердения и применять водотепловую обработку при 95—100°С или даже при 175—200°С (в автоклавах). Введение в стекловидные шлаки небольших количеств щелочей и сульфатов как бы активизирует (возбуждает) их скрытые гидравлические свойства. В соответствии с видом вводимой добавки различают щелочную, сульфатную и комбинированную активизацию шлаков.
Обычно в качестве щелочных активизаторов применяют известь и портландцемент, выделяющий при взаимодействии с водой Са(ОН)2, а в качестве сульфатных — гипс в различных модификациях и ангидрит (CaS04). При комбинированном возбуждении эти активизаторы вводят одновременно.
Обобщение результатов ряда современных исследований в области коррозии стекол и условий образования гидросиликатов и гидроалюминатов кальция позволяет составить следующую схему щелочной активизации.
При соприкосновении с водой наиболее активные участки стекла на поверхности шлаковых зерен адсорбируют молекулы воды.
Как уже указывалось ранее, стекло состоит из комплексных анионов (SiO-i)4-, (AIO4)5"" и др., соединенных друг с другом кислородными связями в политетраэдри-ческие структуры разного состава и вида. К этим анионам присоединяются также и катионы-модификаторы по
схеме — Si—О ... Me. При адсорбции воды стеклом происходит обмен относительно слабо связанных ионов — модификаторов щелочных и щелочноземельных металлов из стекла на ионы водорода из воды с образованием на поверхности частичек стекла пленок гидратированно-
го кремнезема, содержащего группы — Si—О ... Н. Эти пленки препятствуют дальнейшему взаимодействию шлака с водой.
Введение в водный раствор щелочных соединений в виде гидратов окисей натрия, калия, кальция и др. приводит к образованию соответствующих силикатов (например, кальция) по схеме
2(—SiOH)+Ca(OH)2^Ca(—SiO)a+2H»0.
Эта реакция является обратимой, и устойчивое существование тех или иных силикатов возможно только при определенной концентрации соответствующих гидратов окисей металлов в водном растворе. В частности, стабильность наименее основных гидросиликатов кальция достигается при концентрациях окиси кальция в растворе не ниже 0,08—0,1 г/л. Для стабильности же низкоосновных гидроалюминатов кальция необходима концентрация окиси кальция около 0,3 г/л.
Образование устойчивых силикатов (и алюминатов) при предельных концентрациях гидратов окисей металлов сопровождается разрушением пленок гидратирован-ного кремнезема. В результате обнажаются и становятся доступнее для воды более глубокие участки стекла. Это в свою очередь Сопровождается дальнейшим его гидролизом и гидратацией. Значительная растворимость в воде глинозема, а также алюминатов кальция в этих условиях способствует их выносу из массы в окружающий раствор и образованию в последнем пор и капилляров,обеспечивающих дальнейший интенсивный доступ сюда воды, гидролизующей стекло.
Таким образом, введение небольших количеств Щелочных активизаторов создает своеобразный толчок, нарушающий термодинамически неустойчивое равновесие шлакового стекла. Последнее в дальнейшем при взаимодействии с водой самопроизвольно перестраивается с образованием более устойчивых гидросиликатов, гидроалюмосиликатов и гидроалюминатов кальция, обусловливающих схватывание и твердение всей системы. Состав новообразований при этом зависит от состава самого стекла, количества активизаторов, концентрации в водном растворе гидроксильных ионов и температурного фактора.
Основные доменные шлаки содержат обычно 44—48% окиси кальция, 35—38% кремнезема и 5—10% глинозема. Под действием вводимых в них 5—10% извести или портландцемента они подвергаются щелочной активизации. Гидратация при обычных температурах таких шлаков (не говоря уже о кислых) может привести к образованию лишь низкоосновных волокнистых гидросиликатов кальция состава (0,8—1,35) CaO-Si02-2,5H20 [общей формулы CSH(B)], а также двухкальциевого гексагонального метастабильного гидроалюмината 2 СаО-АЬОз-•8Н20 или, скорее, гидрогеленита (2CaO-Al203-Si02-•8Н20). Образованию последнего должно особенно благоприятствовать непосредственное взаимодействие кремнезема и глинозема, составляющих аморфную и кристал-литную часть стекла во время полной перестройки его структуры при гидролизе. Обычно при таких условиях концентрация окиси кальция в водном растворе не превышает 0,2—0,3 г/л, что обеспечивает, однако, устойчивость указанных соединений.
Введение же в основные доменные шлаки значительных количеств извести (до 25—40%) или портландцемента (50—65%) вызывает образование гидросиликатов и гидроалюминатов кальция с повышенной основностью. При нагревании указанных гидросиликатов типа CSH(B) до 100°С образуется соединение с одной молекулой, а при нагревании до 220° С — с 0,5 молекулы гидратной воды. Нагревание до 450—550° С приводит к полному обезвоживанию вещества. Потеря воды сопровождается значительной его усадкой.
Сульфатная активизация шлаков отличается от щелочной тем, что в этом случае сульфат кальция непосредственно взаимодействует с глиноземом, гидратом окиси кальция и водой с образованием гидросульфоалюми-натов кальция 3CaO-Al203-3CaS04-31H20 и ЗСаО-•Al203-CaS04- 12H20, способствующих наряду с другими новообразованиями твердению шлаковых цементов.
Скрытая способность к гидравлическому твердению, проявляющаяся под влиянием небольших добавок акти-визаторов, отличает гранулированные доменные шлаки от кислых активных (гидравлических) добавок. Последние не обладают самостоятельными вяжущими свойствами. Цементирующие новообразования в них возникают только в результате прямого взаимодействия гидрата окиси кальция с активным кремнеземом и глиноземом добавок.
Имеются, однако, металлургические и топливные шлаки с пониженным содержанием окиси кальция (20— 30%), которые характеризуются промежуточными свойствами. Если в них вводят значительное количество извести, то они взаимодействуют с окисью кальция подобно кислым гидравлическим добавкам. При небольших же добавках извести такие шлаки твердеют преимущественно за счет гидратации составляющих их компонентов.
Гидравлическая активность шлаковых стекол почти любого химического состава резко возрастает при тепло-влажностной обработке, особенно в автоклаве.
Грануляция доменных шлаков. Поскольку у стекловидных шлаков гидравлическая активность повышенная, доменные шлаки, предназначенные для изготовления вяжущих веществ, гранулируют, т. е. быстро охлаждают водой, паром или воздухом.
Способ резкого охлаждения шлаковых расплавов водой, открытый в середине XIX в., использовался вначале только для получения шлака в виде сыпучей массы, состоящей из небольших зерен (гранул), что позволяло легко перемещать его. В 1862 г. Ланген обнаружил, что гранулированный с помощью воды доменный шлак в тон-коизмельченном виде способен к гидравлическому твердению. В последующие годы было установлено, что быстрое охлаждение шлаковых расплавов и получение гидравлически активных гранулированных шлаков в стекловидном состоянии возможно также с помощью водяного пара, воздуха или совместного их воздействия. Современные исследования показывают, что активность гранулированных шлаков зависит от температуры шлакового расплава в момент грануляции. По данным Н. Н. Семеновкера и М. Г. Кашперского, при относительно низких температурах расплава (1380—1420°С) в процессе грануляции получаются шлаки с пониженной активностью, гидравличность же их резко возрастает при температурах расплава 1420—1480°С, достигая максимума в области температур начала образования кристаллической фазы. Более высокие температуры распла-
ва (1600° С и выше) хотя и способствуют получению полностью - остеклованных шлаков при грануляции, но гидравлическая их активность более низкая. Надо полагать, что оптимальная температура расплава при грануляции в сильной мере зависит и от его состава и от способа грануляции.
В настоящее время на металлургических заводах применяют два способа грануляции шлаков — мокрый и полусухой.
При мокром способе грануляции огненно-жидкие шлаки сливают з бассейн с водой. Бассейные установки (рис. 48) размещают вблизи доменных печей. Обычно они представляют собой прямоугольные бетонные резервуары объемом 450—800 м3, наполненные водой. Шлак в бассейны сливают из шлаковозных ковшей. При соприкосновении струи расплавленного шлака с водой он мгновенно охлаждается, причем под воздействием образующегося пара и выделяющихся из шлака растворенных газов масса распадается на мелкие зерна — гранулы размером до 5—10 мм.
При мокрой грануляций на 1 т шлака расходуется 2—2,5 м3 воды.
Из бассейнов шлак подают в вагоны и другие транспортные средства с помощью грейферных мостовых или портальных кранов, экскаваторов, скреперных лебедок и т. п.
Бассейные установки отличаются большой производительностью, относительно невысокой капиталоемкостью и обслуживаются небольшим числом рабочих.
Однако мокрому способу грануляции присущи и серьезные недостатки; получаемые шлаки имеют высокую влажность (20—30%), поэтому при их перевозке увеличивается непроизводительная загрузка вагонов; необходимы повышенные затраты тепла на их сушку (до 80 кг условного топлива на 1 т сухого шлака); в зимних условиях из-за высокой влажности шлаки в вагонах, бункерах и на открытых складах могут смерзаться, что вызывает затруднения в работе, простои вагонов и большие затраты труда на их разгрузку.
Полусухой способ грануляции более эффективен. Его осуществляют в барабанных, гидроударных, гидрожелоб-ных и других установках. Наиболее эффективны из них гидрожелобные установки. В настоящее время они преимущественно применяются при грануляции шлаков вне доменного цеха.
Гидрожелобная установка состоит из приемной ванны 1, в которую сливают шлак, и наклонного грануляционного желоба 2 длиной до 10 м. К верху желоба подводится вода под давлением до 8—10 ат с помощью центробежного насоса 3. Воду подводят либо при помощи гидромонитора с сопловыми насадками, либо через трубы со щелевидными отверстиями для образования сильных струй воды. Расплав из шлаковозного ковша 4 сливается в ванну, далее он попадает в грануляционный желоб, где подхватывается пучком сильных струй воды, выбрасываемых из отверстий насадки или щелевидных отверстий, охлаждается, разбивается на гранулы и поступает на приемную площадку. Отсюда шлак забирают грейферным краном и грузят в вагоны.
При этом способе грануляции отсутствует нитеобра-зование, в приемных ваннах и желобах образуется незначительное количество шлаковых настылей и уборка их не представляет трудности.
Расход воды на таких установках составляет 2— 2,5 ж3 на 1 г шлака; влажность гранулированного шлака у доменной печи и бесковшовой уборки их от печей. На рис 50 приведена схема опытно-промышленной установки для грануляции шлаков у доменной печи, сооруженной на Криворожском металлургическом заводе.
В ней грануляция шлака осуществляется в грануляционном желобе водой, подаваемой под давлением 8 ат через специальную многосопловую насадку. Гранулированный шлак из желоба выносится водой в приемник пульпы, из которого пульпонасосом подается по трубопроводам на склад. Расход воды на такой установке составляет 3,4—3,8 ж3 на 1 г шлака. Получаемый гранулированный шлак отличается большой однородностью.
Технические требования, предъявляемые к гранулированному доменному шлаку. По ГОСТ 3476—60 доменные гранулированные шлаки, применяемые для производства цемента, должны удовлетворять требованиям, приведенным в табл. 27,
Стандартом не допускается в доменных гранулированных шлаках наличие плотных негранулированных кусков и посторонних примесей.
Гранулированные доменные шлаки используют: для изготовления смешанных гидравлических вяжущих веществ — шлакового портландцемента; сульфатно-шлакового цемента; известково-шлакового цемента; в качестве глинистого компонента для производства портландцемента, а также активной минеральной добавки к портландцементу при его помоле; в виде заполнителей при изготовлении бетонов.
Отвальные медленно охлажденные доменные шлаки до недавнего времени применяли в строительстве лишь как заполнители при изготовлении легких и тяжелых бетонов. Сейчас советские ученые установили, что можно использовать их для изготовления шлаковых цементов автоклавного твердения.
б. Предельные шлаки черной металлургии
Предельные металлургические шлаки образуются, в частности, при получении стали из чугуна в мартеновских печах, а также при плавке чугуна в вагранках.
Несмотря на большой масштаб выплавки стали, количество получаемых сталеплавильных шлаков сравнительно невелико — их выход колеблется в пределах 7—10% массы выплавленной стали и составляет около 10 млн. т в год.
В СССР сталь плавят главным образом мартеновским способом, при котором побочным продуктом являются основные мартеновские шлаки. В мартеновских шлаках сумма основных окислов существенно выше суммы кислотных. В них также в значительно больших количествах содержатся окислы железа, марганца, магния.
В основных мартеновских шлаках почти всегда имеются включения металла. Эти шлаки не гранулируются, а сливаются в отвалы, где медленно остывают. При остывании из-за высокой их основности они практически полностью кристаллизуются и, как правило, почти не содержат стекла.
Фазовый состав мартеновских шлаков более сложен, чем доменных. Это обусловлено большим разнообразием сырьевых материалов, включающих легирующие добавки (хром, марганец, никель и др.), раскисли-тели и т. д.
Из других шлаков черной металлургии для производства вяжущих представляют интерес электропечные шлаки от плавки феррохрома и феррованадия с высоким содержанием окиси кальция и кремнезема. В этих шлаках обычно в больших количествах содержится ов-тосиликат кальция, поэтому при охлаждении они рассыпаются в шлаковую муку с образованием Y'^S
Почти все шлаковые минералы, содержащиеся в передельных шлаках черной металлургии, за исключением в-2CaO-Si02 и алюминатов кальция, при обычных температурах не взаимодействуют с водой. Однако при водотепловом воздействии в автоклавах тонкоизмель-ченные основные мартеновские шлаки, шлаки ферро-

хрома, феррованадия и ваграночные шлаки гидратиру-ются и твердеют.
Твердение этих шлаков обусловлено главным образом гидратацией в условиях автоклавной обработки B-C2S и Y-C2S, дающих гидросиликаты типа C2SH (A), а также алюминатов и ферритов кальция, способных образовывать гидрогранаты вида 3CaO(Al203-Fe203) • xSi02(6—2х) Н20 и твердые растворы. Введение в шлаки окиси кальция или гипса ухудшает их гидравлические свойства при твердении в автоклаве, по-видимому, вследствие образования высокооснбвных гидросиликатов кальция и замедления гидратации В-2СаО-•Si02.
Хороших результатов при твердении этих шлаков в автоклаве достигают, вводя в них для активизации смесь, состоящую из извести, гипса и молотого кварцевого песка. В этом случае образуется много тонкодисперсных цементирующих новообразований, обусловливающих высокую прочность бетона.
Ваграночные шлаки также проявляют значительную активность только при автоклавной обработке.
Передельные шлаки черной металлургии применимы для изготовления цементов автоклавного твердения, а нераспадающиеся их разновидности используются в качестве заполнителей для изготовления обычных бетонов.