Классификация минеральных добавок к цементам, их характеристика, механизм взаимодействия с портландцементным клинкером и влияние

Активные минеральные добавки подразделяют на две основные группы:

- природные горные породы вулканического или осадочного происхождения.;

- техногенные – отходы и побочные продукты промышленности.

Добавки из природного вулканического сырья проявляют активность счет стеклообразного кремнезема, аморфизированных кремнезема и глинозема. К ним относятся: вулканический пепел, туф, трас, пемза, цеолиты, базальт и др.

По химическому составу добавки вулканического происхождения являются алюмосиликатами. Содержание кремнезема в них колеблется от 45 до 70%, глинозема – от 10 до 20%. В таких добавках есть щелочноземельные (2-6%) и щелочные (3-8%) оксиды, а также гидратная вода. Состоят они из видоизмененного стекла и кристаллических составляющих (алюмосиликатов – цеолитов, полевых шпатов, авгита) и характеризуются низкой гидравлической активностью. Наиболее высокой химической активностью этих добавок является стекло, достаточно активны цеолиты. В щелочной среде они гидролизуются и образуют гидросиликаты и гидроалюмосиликаты кальция.

Активные минеральные добавки осадочного происхождения – это органогенные породы (опока, трепел, диатомит). Они состоят, в основном, из мельчайших панцирей диатомитовых водорослей и представлены гидратированным аморфным кремнезем в виде опала, содержание которого составляет 70-98%.

К техногенным активным минеральным добавкам относят:

- доменные и электротермофосфорные граншлаки;

- шлаки, золы-унос и золошлаковые смеси ТЭС;

- аморфный микрокремнезем;

- топливные шлаки, обожженные глины и глинистые сланцы.

Доменный граншлак (электротермофосфорный и др. остеклованые шлаки – аналоги) получают как вторичный продукт при выплавке чугуна. Он является одним основных неклинкерных компонентов цементов и используется для этих целей более 80 лет. Его химический состав близок к составу портландцементного клинкера (табл. 1). Граншлак состоит из 80-95% стекла, которое, в основном, определяет скрытую гидравлическую его активность (при затворении водой основных молотых граншлаков активность вяжущего нормального твердения может достигать 2 МПа, пропаренного – 5 МПа).

Введение граншлака в портландцемент ведет к связыванию гидроксида кальция в гидросиликаты, суммарная основность (отношение СаО/ SiO₂) при этом снижается с 1, 6-1,8 до 1,3-1,5. Граншлак снижает скорость твердения цемента в первые 7-14 суток, увеличивает стойкость цементного камня против всех видов коррозии, уменьшает тепловыделение при твердении.

Таблица 1. Химический состав доменных граншлаков

Золы и шлаки ТЭС образуются в котлах электростанций при сжигании молотого угля. При этом температура факела составляет 1200-1600^оС, уменьшаясь на периферии факела. При этом 30-40% угольной породы расплавляется и по стенка котла стекает в желоб с водой, образуя плотные стеклообразные зерна размером до 10-20 мм. Это шлак ТЭС. Остальная часть зерен породы плавится частично, зерна не слипаются между собой и вместе с дымовыми газами поступают на электрофильтры, где тонкодисперсная зола в виде зерен размером, в основном, менее 30 мкм отделяяется от дымовых газов. Это зола-унос. Она может отбираться в сухом виде, а может направляться полностью в указанный желоб с водой, где смешивается со шлаком и в виде пульпы перекачивается в отвалы. Это золошлаковая смесь. Шлаки практически на 100% остеклованы, зола-унос остеклована на 60-95%. В шлаках оксиды железа находятся, в основном, в виде FeO, в золе – в виде Fe₂O₃. Шлаки практически не содержат несгоревшего угля, в золе больших современных тепловых электростанций (Старобешевская, зуевская, Кураховская и др.) потери при прокаливании составляют 2-4%, на малых станциях (Ясиновская, на Макеевском заводе ЯКХЗ) - до 15%. Активность зол и шлаков ТЭС определяется содержанием алюмосиликатногно стекла с активными кремнеземом и глиноземом. Пуццолановая активность топливных шлаков, обожженных глин и глинистых сланцев аналогична.

Аморфный микрокремнезем – ультрадисперсные частицы аморфного кремнезема размером менее 0,5-1 мкм. Это продукт кондесации пароа кремнезема при высокотемпературных процессов производства ферросплавов. Высокая удельная поверхность, которая в 100-300 раз больше, чем у цемента, предопределяет высокую пуццолановую активность микрокремнезема по отношению к гидроксиду и гидросиликатам кальция портландцементного камня.. В отличие от других пуццоланов он практически полностью реагирует с клинкером, поэтому вводится в значительно меньшем количестве.

Согласно ДСТУ Б В.2.7-128:2006 по химическому составу активные минеральные добавки и наполнители должны отвечать требованиям, указанным в табл. 2 и 3.

Таблица 2. Требования к активным минеральным добавкам по химическому составу

Добавки – наполнители по химическому составу подразделяют на кремнеземистые, карбонатные и др., которые по физико-механическим характеристикам и химическому составу не отвечают отдельным требованиям, предъявляемым к активным минеральным добавкам.

Таблица 3. Требования к минеральным добавкам – наполнителям

Продолжение табл. 3