Главная

Категории:

ДомЗдоровьеЗоологияИнформатикаИскусствоИскусствоКомпьютерыКулинарияМаркетингМатематикаМедицинаМенеджментОбразованиеПедагогикаПитомцыПрограммированиеПроизводствоПромышленностьПсихологияРазноеРелигияСоциологияСпортСтатистикаТранспортФизикаФилософияФинансыХимияХоббиЭкологияЭкономикаЭлектроника






Минералогический состав и структура шлаков


 

В медленно охлажденных шлаках, содержащих менее 5% MgO, присутствуют преимущественно мелилиты– изоморфный ряд твердых растворов, конечными членами которого являются геленит C2AS и окерманит C2MS2. С повышением содержания оксида магния более 15% вместо твердого раствора образуется только окерманит. В составе шлаков встречаются псевдоволластонит и волластонит (CS), разные модификации C2S, ранкинит– C3S2, мервинит C3MS2, анортит – CAS2 и др. Во многих шлаках имеются CaS, а также FeS и MnS. В связи с тем, что процессы кристаллизации при охлаждении в промышленных условиях не идут до конца и не создаются, поэтому условия для физико-химического равновесия, по результатам химического анализа невозможно точно рассчитать ожидаемый минералогический состав шлака.

Доменные шлаки – это материалы с потенциальными вяжущими свойствами; способность к твердению проявляется у них в гранулированном виде, т. е. преимущественно в стекловидном состоянии под действием активизирующих добавок, к которым относятся щелочи, известь, сернокислый кальций и др. Считали, что стекло активно потому, что запас внутренней энергии в нем больше, чем в закристаллизованном веществе того же состава. Исследования Н.А. Торопова, Б.В. Волконского показали, что это не распространяется на специальные высокоглиноземистые шлаки. В кристаллическом виде они оказались значительно более гидравличными, чем полностью остеклованные. Сравнение теплот растворения гранулированного и медленно охлажденного обыкновенного доменного шлака одинакового химического состава показало, что запас внутренней энергии больше у остеклованных.

Мы считаем, что минералы, которые в кристаллическом виде обладают явно выраженной гидравлической активностью и способны твердеть, уже не характеризуются в стекловидном состоянии такой активностью, несмотря на больший запас внутренней энергии. Это относится, например, к алюминатам кальция С12А7, CA, содержащимся в специальных высокоглиноземистых шлаках. Шлаковые минералы CS и C2MS2 в стекловидном состоянии способны твердеть без активизирующих добавок.

Геленит в стекловидном состоянии гидратируется и затвердевает только под воздействием гидроксида кальция или гипса, то же относится к монтичеллиту и некоторым другим минералам. Анортит (CAS2), как в кристаллическом, так и в полностью остеклованном виде, инертен даже при действии растворов извести и гипса. Таким образом, активность шлака зависит не только от высокого содержания стекла, но и от химического состава, как этой фазы, так и кристаллических образований. Для структуры гранулированных доменных шлаков характерна неоднородность стекловидной фазы; наблюдаются включения сульфидов – центров микрокристаллизации, а также участки стекла, отличающиеся по составу от основной массы; встречаются пузырьки газов, под действием атмосферных агентов появляются новообразования.

Жидкий шлак является микрогетерогенным расплавом, в котором имеются области с концентрацией некоторых ионов выше средней, что и обусловливает его неоднородность. Быстрое охлаждение шлакового расплава при грануляции приводит к тому, что он сохраняет структуру, которую имел в жидкорасплавленном состоянии.

Стекло сейчас рассматривают как сложную жидкую переохлажденную систему, и характерные особенности структуры жидкости переносят и на структуру стекол. Современные методы исследования тонкой структуры стекол позволяют установить, что структура силикатных (шлаковых) стекол действительно микрогетерогенна, хотя пока еще нет единой общепризнанной теории их строения. В настоящее время распространена теория ионного строения шлаков, по которой жидкий шлак рассматривают как микрогетерогенный расплав, состоящий из простых катионов, анионов, кислорода и серы, а также из комплексных анионов, размер и устойчивость которых зависят от природы катиона.

Степень связанности кремнекислородных комплексов, выражающаяся в показателе O/Si, оказывает большое влияние па активность шлаков. В этом свете влияние тех или иных элементов на гидратационную активность шлаков зависит от положения, которое они занимают при формировании структуры шлака. На роль этого показателя в активности шлака указано в работах М.И. Сычева, исследовавшего шлаки цветной металлургии. В. С. Горшковым установлено, что минеральные добавки в зависимости от ионного радиуса входящих в них катионов и анионов, в различной степени влияют на процесс стеклообразования, способствуя увеличению либо уменьшению каркаса стекла и тем самым различно влияют на химическую стойкость шлака при его гидратации.

Сходство между структурами кристаллических и стеклообразных силикатов, по мнению А. А. Аппена, заключается в существовании в обоих состояниях непрерывного кремнекислородного каркаса и в координационном принципе расположения ионов относительно друг друга. Некоторые металлы в структуре силикатного стекла рассматриваются не только как модификаторы, но и как стеклообразователи, причем соотношение между положением катионов определяется его координационным числом, с повышением которого увеличивается доля катиона как модификатора. При этом по данным С. М. Рояка, Я. Ш. Школьника, Н. В.Оринского, следует учитывать, что первичным этапом гидратации шлакового стекла является процесс перехода в раствор катионов-модификаторов. Работами последних лет установлено, что само по себе содержание стекловидной фазы не является определяющим фактором в повышении активности шлаков. Полагают, что наиболее высокими вяжущими свойствами обладают шлаки, содержащие 5 – 20% кристаллической фазы.

Вопрос о целесообразности получать частично закристаллизованный шлак должен решаться в каждом конкретном случае отдельно с учетом химического состава шлака и в первую очередь его основности, так как с последней связан порядок выпадения кристаллических фаз при охлаждении шлака ниже температуры ликвидуса (Тл). Грануляция основных шлаков (М0>1) при температуре ниже Тл способствует фиксации структуры, в которой наряду со стеклом имеется весьма активная в отношении вяжущих свойств минералогическая фаза 2CaO∙SiO2, более активная, чем стекло.

При охлаждении кислых шлаков ниже Тл первым кристаллизуется мелилит (минерал непостоянного состава, изоморфный ряд Ca2(Mg,Fe)Si2O7 – Ca2Al2SiO7 (окерманит–геленит)), а в некоторых специальных шлаках (титанистых) – перовскит (СаО∙ТiO2) и байковит, которые неактивно повышают вяжущие свойства. Поэтому грануляция кислых шлаков при температуре ниже ТЛ должна снижать их вяжущие свойства. Различный же характер взаимодействия минералов и стекол с водой в процессе гидратации можно объяснить изменением структуры минерала при переходе его в стеклообразное состояние, в частности изменением симметрии металлокислородных групп и характера их сочленения. Это было показано С.М. Рояком и В. III. Школьником на примере геленита и окерманита.

Для возбуждения потенциальных вяжущих свойств стекловидных фаз гранулированных доменных шлаков важна степень их химической метастабильности и способности образовывать при взаимодействии с известью гидратные соединения с характерными цементирующими свойствами. Известную роль в этом процессе играет структура шлакового стекла, поверхность которого покрыта пленкой новообразований, появляющихся под действием влаги и углекислоты воздуха. По Н.В. Гребенщикову от толщины и плотности этих пленок зависит химическая стойкость стекла и скорость диффузии через нее подвижных ионов контактирующей водной среды, содержащей ионы ОН-, SO42- и Са2+, под влиянием которой пленки разрушаются и переходят в раствор; в результате обнажаются новые поверхности шлакового зерна, взаимодействующие с раствором.

Реагирующую поверхность стекла увеличивают микротрещины, образующиеся в результате сильного теплового удара от резкого охлаждения при грануляции, а также от случайных неизбежных механических воздействий. Высокая удельная поверхность тонкоизмельченных шлаков – существенный фактор, повышающий химическую метастабильность шлакового стекла. Таким образом, можно видеть, что химическая метастабильность и соответственно гидравлическая активность шлакового стекла зависят от многих факторов – температуры выпускаемого из доменной печи шлака, его химического состава, характера и скорости грануляции, химического состава стекловидной фазы и кристаллических образований, характеристики поверхностных слоев стекла.

Основными качественными характеристиками доменных шлаков является их основность, сопротивление измельчению, реакционная способность, химический состав и его стабильность. Плотность шлаков колеблется в пределах 2,7 – 3г/см3, насыпная плотность 1,3 – 1,5г/см3. Гидравлические свойства доменного граншлака определяется по величине коэффициента качества (К), который в зависимости от содержания оксида магния определяется по формулам:

Оценка гидравлических свойств доменного гранулированного шлака определяется при помощи коэффициента качества (К), который определяется по формулам:

при содержании окиси магния до 10 %:

 

 

при содержании окиси магния более 10 %:

 

 

В зависимости от коэффициента качества и химического состава доменные гранулированные шлаки подразделяются на три сорта. Технические требования к гранулированным доменным шлакам приведены в табл.5.1.

 

Таблица 5.1 – Технические требования к гранулированным доменным шлакам

Сорт Показатели
Коэффи-циент качества, не менее Содержание оксида алюминия, %, не менее Содержание оксида магния, %, не более Содержание диоксида титана, % не более Содержание оксида марганца (II), %, не более
1-й 1,65 8,0 5,0 4,0 2,0
2-й 1,45 7,5 15,0 4,0 3,0
3-й 1,20 До 7,2 15,0 4,0 4,0

 

Типичный химический состав доменного шлака, мас.%:(SiO2) 32–42; (A12O3) 7–16; (CaO)32–45;(MgO)5–15;сера (S)* 1–2; (Fe2O3)1–1,5; (MnO) 0,2–1,0.

* в основном в виде сульфида кальция

Шлаки, как правило, измельчаются труднее, чем цементный клинкер, и при совместном помоле шлака и клинкера гидравлический потенциал шлака раскрывается не в полной мере.

Изучение гидравлической активности синтетических стекол, близких по составу к шлакам, показало, что примерный состав наиболее активных стекол такой: СаО 48–50%, А12O3 18–20% и SiO2 30–32% при 5% MgO. Однако возможность выплавки шлаков оптимального состава часто ограничена сырьевыми ресурсами и также тем, что состав доменной шихты подбирают в первую очередь с учетом факторов, определяющих ход доменной плавки и качество чугуна.

С количественным содержанием А12O3 в шлаке тесно связана структурная роль Mg в шлаке. Исследования С. М. Рояка и Я. Ш. Школьника гидратационных свойств синтетических шлаков показали, что допустимая замена СаО на MgO определяется содержанием в них глинозема— с увеличением его количества возрастает допустимое содержание оксида магния. При анализе ИК-спектров были отмечены изменения, связанные с тем, что при содержании 15% А12O3 возрастает количество алюминия в октаэдрической координации с внедрением части магния в анионный каркас стекла. При 17% глинозема допустимое содержание оксида магния в шлаке без понижения его активности может также достигать 17%. В четырехкомпонентной системе эти шлаки лежат вне поля кристаллизации периклаза, вредного для цементов, и находятся в области, где первичной фазой кристаллизации являются монтичеллит и шпинель.

Выше отмечалось, что определяющим фактором структуры доменных шлаков в связи с их активностью является степень полимеризации кремнекислородных комплексов, зависящая от концентрации анионов кислорода в шлаке. Поэтому была высказана мысль о возможности повышения гидратационных свойств шлака путем применения добавок, способствующих распаду кремнетитанкислородной сетки. Исследования подтвердили, что введение в шлаковый расплав добавки щелочи или щелочесодержащей цементной пыли приводит к разукрупнению кремнетитанкислородных комплексов и к существенному повышению активности гранулированного шлака, что подтвердил промышленный выпуск шлакопортландцемента.

 

Твердение шлакопортландцемента

 

Доменные шлаки для изготовления различного рода строительных материалов используются у нас больше 100 лет. В 1865 г., вскоре после того, как стали применять грануляцию шлаков водой, и были выявлены их гидравлические свойства, возникло производство стеновых камней из смеси извести и шлака. В 90-х годах прошлого столетия в нынешнем Днепропетровске и Кривом Роге построили набивным способом первые крупные в здания из шлакобетона. Позже, в 1913 – 1914 гг., в Днепропетровске был выстроен первый завод шлакопортландцемента. Примерно в то же время производство его было организовано на Косогорском металлургическом заводе в Туле. В настоящее время объем производства шлакопортландцемента у нас достигает около 30% общего выпуска цемента.

Шлакопортландцемент является гидравлическим вяжущим веществом, получаемым путем совместного тонкого измельчения клинкера и высушенного гранулированного доменного шлака с обычной добавкой гипса; шлакопортландцемент можно изготовить тщательным смешиванием тех же материалов, измельченных раздельно.

По ГОСТ 10178–85 доменного шлака в этом цементе должно быть не меньше 20% и не больше 80% массы цемента; часть шлака можно заменить активной минеральной добавкой (трепелом, не более 10% массы цемента), что способствует улучшению технических свойств вяжущего. Разновидностями шлакопортландцемента являютсянормальные быстротвердеющие и сульфатостойкие.

Клинкер для шлакопортландцемента должен иметь такой минералогический состав и структуру, чтобы были обеспечены твердение и высокая прочность «клинкерной части» в составе шлакопортландцемента. Целесообразно, чтобы по физико-химической характеристике он приближался бы к клинкерам высокопрочных быстротвердеющих портландцементов. Гипс ускоряет схватывание шлакопортландцемента, однако дозировку его нужно устанавливать экспериментально. Наиболее быстрое твердение происходит при 30 – 40% шлака.

По ГОСТ к шлакопортландцементу предъявляются такие же требования по тонкости помола, срокам схватывания, равномерности изменения объема, содержанию SО3 и MgO в клинкере, как и к портландцементу. По прочностным показателям он разделяется на марки 300, 400 и 500. Отличительной его особенностью является повышенная прочность на растяжение и изгиб. В отличие от пуццолановых портландцементов шлакопортландцемент не вызывает повышения водопотребности растворов и бетонных смесей. При несколько замедленном росте прочности в первый после затворения период он интенсивно наращивает ее в последующем. За срок от семи суток до одного года прочность у портландцемента увеличивается примерно вдвое, а у шлакопортландцемента – в нормальных температурно-влажностных условиях возрастает значительно больше – примерно в 2,5 раза.

Твердение шлакопортландцемента обусловливается более сложными процессами, чем портландцемента из-за шлака. Происходит гидратация клинкерной части цемента, в результате чего в твердеющей системе образуется насыщенный известковый раствор, который образуется также и при разложении сернистого кальция.

Весьма важна концентрация в растворе как ионов Са2+, так и гидроксильных ОН-; существенная роль последних заметна по интенсивной гидратации шлака при воздействии щелочных растворов натрия или калия; в растворе имеется также некоторое количество ионов SO42-.

В результате создается среда, способная вызвать щелочное и сульфатное возбуждение зерен шлака, поверхностные слои которых вовлекаются в результате этого в процессы гидратации и образования цементирующих соединений. Контактируя в полостях и микротрещинах с поверхностными слоями шлакового стекла, известковый раствор способствует переводу в раствор находящихся на поверхности шлаковых зерен катионов вследствие разрыва кремнекислородных связей. В результате при взаимодействии с известью образуются гидросиликаты кальция, вначале более основные, а по мере снижения концентрации извести в реагирующей среде – уже низкоосновные серии CSH (В). Исследования процессов твердения известковошлаковых смесей и шлакопортландцементов показали, что происходит химическое связывание шлаком СаО. Это подтверждается также опытами по методу В. И. Стрелкова, определяющего активность шлака в зависимости от количества поглощенных им ионов из гипсоизвесткового раствора.

В процессе твердения шлакопортландцемента образуется гидросульфоалюминат кальция; после израсходования всего гипса при достаточно высокой концентрации извести, возможно, образование гидроалюминатов кальция. Не исключена возможность появления гидрогеленита – C2ASH8. Шлакопортландцемепт в отличие от портланд-цемента не проявляет тенденции к снижению прочности при твердении в результате обычно возникающих внутренних напряжений. Количество связанной воды при твердении шлакопортландцемента зависит преиму-щественно от активности и соответствует степени гидратации клинкерной части шлакопортландцемента в особенности при кислых шлаках. Содержание шлака в шлакопортландцементе уменьшает концентрацию, причем через сутки это уменьшение пропорционально содержанию шлака в цементе. При одинаковом соотношении шлака и клинкера концентрация к 30 суткам больше у шлакопортландцемента на основных шлаках. Концентрация шлакопортландцемента на кислых шлаках зависит, главным образом, от химико-минералогического состава клинкера.

Усадочные деформации у шлакопортландцемента в растворе 1:3 с нормальным песком к 4 месяцам твердения на воздухе достигают 0,6 – 0,76мм/м при содержании в цементе 50% кислых доменных шлаков либо 70% основных доменных шлаков. У взятого для сравнения пуццоланового портландцемента усадка составила 1,15мм/м. Причина усадки в условиях воздушного твердения – в основном удаление свободной воды; у шлакопортландцементов с небольшой добавкой шлака, ниже 50%, усадка зависит преимущественно от минералогического состава клинкера.

Тепловыделение при гидратации шлакопортландцемента значительно ниже, чем у портландцемента. Это препятствует его использованию в зимних условиях, но положительно сказывается при изготовлении массивного бетона. Для нормального твердения шлакопортландцемента необходима температура не ниже 15оС, при более низких температурах бетонную смесь необходимо подогревать.

Исследования показали, что введение в цементы как кислых, так и основных шлаков повышает их стойкость по отношению к действию мягкой воды. Это характеризуется уменьшением абсолютного количества выщелоченной из шлакопортландцемента извести, а также меньшей потерей прочности по сравнению с портландцементом и пуццолановым портландцементом. Твердые зерна шлака, довольно медленно гидратирующиеся, создают дополнительный жесткий каркас, который сохраняется и после выщелачивания части извести из клинкерной составляющей шлакопортландцемента.

Шлакопортландцементы обладают достаточной морозостойкостью, которую можно повысить путем введения поверхностно-активных воздухововлекающих и других добавок, уменьшения В/Ц и созданием условий для предварительного твердения примерно до 3 месяца до начала морозов. Последнее особенно важно для шлакопортландцементов на базе кислых шлаков, содержащих больше «слабо связанной» воды и вследствие этого менее морозостойких, чем шлакопортландцементы на основных шлаках. Сравнительно высока морозостойкость цемента при содержании 60 – 80% шлака. Для водонепроницаемости существенное значение имеет как вид использованного для получения цемента шлака, так и его дисперсность. Из шлакопортландцемента можно получить водонепроницаемые бетоны при высокой удельной поверхности цемента, а также при добавке 10% другой активной минеральной добавки.

Положительной особенностью шлакопортландцементов, в отличие от пуццолановых, является сравнительная воздухостойкость, обеспечивающая нормальное твердение бетона (железобетона) наземных сооружений. Это не исключает необходимости тщательного ухода за бетоном для защиты его от высыхания и пониженных температур впервые сроки твердения. Шлакопортландцемент обладает повышенной стойкостью против действия минерализованных вод (морской, сульфатной и др.). Однако по отношению к концентрированным растворам магнезиальных солей он недостаточно стоек. Свободные кислоты, содержащиеся в болотных, сточных промышленных и других водах разрушают бетон из шлакопортландцемента.

Шлакопортландцемент не оказывает корродирующего действия на заложенную в бетон стальную арматуру и достаточно прочно сцепляется с ней. Поэтому его можно применять в железобетонных конструкциях наравне с портландцементом. В отличие от портландцемента шлакопортландцемент в растворах и бетонах лучше сопротивляется действию повышенных температур, поэтому его можно применять после необходимого предварительного твердения во влажных условиях для некоторых строительных конструкций, эксплуатируемых в горячих цехах. Особенно хорошо влияет на твердение шлакопортландцемента тепловлажностная обработка. Исследования показали, что пропаривание так интенсивно ускоряет процессы гидратации, кристаллизации и уплотнения структуры шлакопортландцемента, что получаемые растворы и бетоны приобретают высокие строительные свойства. Коэффициент использования активности цемента при пропаривапии достигает 70% против 60% для портландцемента; повышается трещиностойкость, морозостойкость, водонепроницаемость, водо- и солестойкость и улучшается ряд других свойств. Для получения шлакопортландцемента, предназначаемого для пропаривания, целесообразно применять клинкер, содержащий 55 – 60% C3S и 7 – 10% СзА при 40% гранулированного доменного шлака.

Шлакопортландцемент более универсальное вяжущее, чем пуццолановый, его можно эффективно применять для бетонных и железо-бетонных конструкций, наземных, подземных и подводных сооружений. Он особенно эффективен в крупных гидротехнических соружениях, а также в сборных железобетонных конструкциях и изделиях, подвергающихся тепловлажностной обработке. Крупнейшие гидроэлектростанции на Днепре (Дпепрогес, Каховская ГЭС и др.) на Енисее и др. Возведены с применением шлакопортландцемента; он был широко использован для строительства предприятий черной металлургии и других отраслей тяжелой индустрии в Донбассе, на Урале, в Сибири, в Закавказье и др. Его успешно применяют в ряде районов для производства сборных железобетонных конструкций и изделий с применением пропаривания.

Активные минеральные добавки

 

Еще в древности было известно, что смешением воздушной извести с вулканическим туфом можно получить гидравлически твердеющее вяжущее. Задолго до нашей эры греки для изготовления стойких в пресной и морской воде гидравлических растворов применяли туф Санторинского месторождения, а римляне – вулканический туф с месторождения Поццуоли. Такие добавки в последующем и были названы пуццоланами, а цементы, их содержащие, – пуццолановыми.

Известково-пуццолановые цементы, полученные путем совместного тонкого измельчения воздушной либо гидравлической извести с активной минеральной добавкой при небольшой дозировке гипса отличаются медленным твердением, невысокой прочностью, малой воздухостойкостью. С появлением портландцемента известково-пуццолановые цементы постепенно утрачивали свое значение в гидротехническом строительстве. В настоящее время промышленное их производство крайне ограничено. Однако стал широко применяться пуццолановый портландцемент, содержащий активные минеральные добавки.

Активные минеральные добавки – это неорганические природные и искусственные материалы, обладающие гидравлическими и (или) пуццоланическими свойствами. При смешении в тонкоизмельченном виде с гидратной известью и гипсом при затворении водой они должны образовывать тесто, способное после предварительного твердения на воздухе продолжать твердеть под водой. Активные минеральные добавки вводят в состав цементов для улучшения их строительно-технических свойств. Добавками осадочного происхождения являются – диатомит, трепелы и опоки.

К активным минеральным добавкам вулканического происхождения относятся пеплы, туфы, пемзы, витрофиры и трассы. Это продукты извержения вулканов, отложившиеся на разном расстоянии от места извержения и в различной степени охлажденные; при резком охлаждении из пород быстро выделяются газы, что повышает их пористость. В зависимости от последующего воздействия атмосферных агентов и степени уплотнения они разделяются на рыхлые пеплы – пуццоланы, камневидные пористые – вулканические туфы и сильно уплотненные разности – трассы.

Для пемзы характерно пористое губчатое строение, она представляет собой вспученное вулканическое стекло. Витрофиры имеют порфировую структуру и состоят на 75 – 85% из темного вулканического стекла. В их состав входят также полевые шпаты, кварц и др. Резкое охлаждение выбрасываемых из вулканов пород приводит к быстрой их закалке, что способствует образованию в них вулканического стекла. Они содержат также щелочные алюмосиликаты цеолитового характера, кристаллы полевого шпата, авгита и др. Иногда минералы бывают остеклованными.

К искусственным добавкам относятся: кремнеземистые отходы, получаемые при извлечении глинозема из глины; искусственные обожженные в соответствующих керамических печах либо в самовозгорающихся отвалах пустых шахтных пород глины и глинистые и углистые сланцы; золы, зола-унос и шлаки, получающиеся при сжигании некоторых видов топлива; для них характерно преобладающее содержание кислотных оксидов. В ГОСТ из этих добавок указаны только кислые золыунос; стандартом регламентированы и такие искусственные добавки, как доменные гранулированные шлаки, а также белитовый (нефелиновый шлам), получаемый при комплексной переработке нефелинов и содержащий до 80% минерала белита, частично гидратированного.

Активные минеральные добавки способны химически взаимодействовать с гидроксидом кальция; в диатомите и трепелах в реакцию вступает содержащийся в их составе кремнезем. К. Г. Красильников, исследуя поверхностные свойства гидратированного кремнезема и его взаимодействие с гидроксидом кальция в водной среде, установил, что одной из важнейших характеристик является природа поверхности кремнезема; строение поверхностного слоя характеризуется расположением тетраэдров SiО4, только частично связанных с объемной структурой, причем свободные углы этих тетраэдров, выходящие на поверхность, представляют собой гидроксильные группы.

Реакция гидроксида кальция с кремнеземом начинается с поверхности зерен и постепенно захватывает более глубокие слои; образуются гидросиликатоберморитовой группы CSH (В) с явно выраженным пластинчатым строением кристаллов. Иногда кремнекислоту, содержащуюся в осадочных породах, называют «активной». В действительности активной, так же как и неактивной кремнекислоты не существует. Например, нашими опытами было установлено, что тонкоизмельченный кварцевый песок проявляет «активность», взаимодействуя с гидроксидом кальция и особенно сильно при несколько повышенной (75оC) температуре.

Нами отмечалось, что развивающиеся при механическом диспергировании кварца деформации нарушают кристаллическую структуру поверхностного слоя и несколько аморфизируют его. Деструктированные в результате этого Слои кварца обладают высокой химической активностью, в частности по отношению к воде, что выражается в повышенной их растворимости.

Выше уже указывалось, что глиежи и золы-уноса являются продуктом обжига глинистых материалов. По мнению одних ученых, обжиг каолинитовых глин в интервале 600 – 800оC приводит к разложению каолинита на кремнезем и глинозем, по мнению других – к образованию метакаолинита. Независимо от вида и состава образующихся продуктов обжига они интенсивно взаимодействуют с гидроксидом кальция, причем установлено, что при этом образуется неизвестное ранее соединение –гидрогеленит (гидроалюмосиликат кальция) – 2СаО∙Аl2О3∙SiO2∙8H2О, а при соответствующей концентрации извести и 3CaO – 2SiO2<7. При повышении температуры обжига глинистых материалов >800оC качество их, как активных добавок, снижается. Важно также минимальное содержание в них растворимого глинозема. Например, максимально допустимое содержание растворимого глинозема для глиежей– 2%.

Более сложной представляется природа гидравлической активности пород вулканического происхождения. Кремнезем и глинозем в них можно считать потенциально способными взаимодействовать с гидроксидом кальция. Однако это зависит от их структурных связей в составе породы. Наибольшей активностью обладает вулканическое стекло. Существенную роль в химическом связывании гидроксида кальция играют щелочные алюмосиликаты (Na2O∙А12О3∙4SiО2∙2H2O и др.), являющиеся цеолитами и способные обменивать содержащиеся в них ионы щелочных металлов на ионы двухвалентных металлов и, в частности, извести. Как известно, такой ионный обмен смягчает жесткую воду. Исследования показали, что реакции обмена протекают в значительной степени при повышении температуры до 40 – 50оC, причем в течение года в раствор переходит до 85% содержащихся в породе щелочей.

Однако нарастание во времени прочности пуццоланового портландцемента объяснить этими реакциями нельзя, так как при обмене ионов щелочей на ионы кальция кристаллическая решетка цеолита сохраняется и, следовательно, нельзя ожидать такого изменения их структуры, которое повлияло бы на прочность цемента. Действие гидроксида кальция проявляется не только в этой обменной реакции. Полагают, что разрушается цеолитовая структура, благодаря чему кремнезем и глинозем связывают гидроксид кальция, образуя гидросиликаты кальция и возможно гидроалюмосиликаты кальция. Качество активных минеральных добавок будет зависеть также от содержания растворимого глинозема, т. е. в данном случае способного к взаимодействию с известью. Примерный химический состав активных минеральных добавок приведен в табл. 5.2.

 

Таблица 5.2 – Химический состав (мас.%) активных минеральных добавок

Наименование добавки SiО2 А12О3 Fe2О3 СаО MgO 3 ППП
Трепел 78,8 10,0 2,9 2,1 0,2 0,3 5,3
Диатомит 84,9 3,0 1,2 2,1 0,4 0,3 7,7
Опока 81,1 7,0 4,1 1,6 1,2 0,4 3,9
Глиеж 75,2 13,2 4,7 1,4 0,9 0,7 2,5
Вулканический туф 66,0 11,9 1,5 5,8 0,6 0,5 0,11
Пемза 67,3 15,9 3,0 3,4 0,9 0,2 3,4
Трасс 69,3 12,4 2,5 1,7 0,4 8,1

 

Некоторые добавки вулканического происхождения содержат до 8мас.% оксидов щелочных металлов.

Для получения физико-химической характеристики активных минеральных добавок необходимо применять методы химического, петрографического, рентгеноструктурного и дифференциального термического анализов. Наряду с этим необходимы всесторонние испытания цементов, полученных путем совместного тонкого измельчения клинкера и гипса с различным содержанием изучаемой активной минеральной добавки. Исследуются прочностные показатели цементов с активными минеральными добавками, при твердении выявляются их строительно-технические свойства по сравнению с исходным портландцементом в растворах и бетонах.



Последнее изменение этой страницы: 2016-06-09

headinsider.info. Все права принадлежат авторам данных материалов.